-
Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von PVC-Granulat.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Aufbereitung
von pulverförmigen hochpolymeren Kunststöffrohstoffen mit den jeweils erforderlichen
Zusatz- und Hilfsstoffen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, Polyvinylchlorid (PVC),
ein im Herstellungsprozess als mehl- oder grießartiges Pulver anfallendes Polymer,
mit flüssigen monomeren oder polymeren Weichmachern sowie anderen flüssigen oder
pulverförmigen chemischen Zusätzen, wie z030 Licht- und Hitzestabilisatoren, gegebenenfalls
auch mit pulverförmigen Farb- und Füllstoffen, zu verarbeitungsfertigen Granulaten
aufzubereiten.
-
Üblicherweise erfolgt die Aufbereitung in der Weise, daß die verschiedenen
Komponenten bei Temperaturen unterhalb des sogenannten Fließpunktes vorgemischt
und, unmittelbar anschließend oder nach Zwischenspeichern, bei Temperaturen oberhalb
des Fließpunktes fertiggemischt und homogenisiert werden, wobei in dieser Phase
der Aufbereitung eine physialisch-chemische Stoffumwandlung stattfindet, an die
sich als letzte Phase das Auspressen (Austragen) und Granulieren (Abschlagen) des
Werkstoffes anschließt.
-
+ ach Henning u. Je Zöhren, Lehrbildsammlung Kunststofftechnik, 20Teil,
S09-11, Carl Ilanser Verlag, München 1965.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit Zwischenspeicherung.
Bei bekannten Verfahren wird das Mischgut in Chargen in einem Vormischer bis zur
beginnenden Plastifizierung erhitzt und daran anschliessend wieder in einem Kühlmischer
soweit abgekühlt, daß seine Rieselfähigkeit erhalten bleibt. Dies erlaubt der nachgeschalteten
Plastifiziervorrichtung, das Material ohne besondere fördertechnische Maßnahmen
aufzunehmen. Der Aufschmelzvorgang in letzterer verlangt eine neue Erwärmung, auch
zur Überwindung des Reibungswiderstandes des Materials; die Wärme wird durch Schnecken
im wesentlichen auf mechanischem Wege zugeführtCz.B.nKunststoffe", 1964, Heft 1,
S.51, Abb. 6) o Die Granulierung des plastisch gewordenen Mischgutes erfolgt entweder
heiß direkt am Ausgang der Plastifiziervorrichtung oder aber nach einer vorherigen
Abkühlung im Wasser- oder Luftbad durch Band- oder Faden--granulatoren. Bei der
Heißabschlagung wird das plastische Material durch eine Lochplatte gedrückt, hinter
der ein mehrflügliges Messer rotiert.
-
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen weisen u.a.
-
folgende Nachteile auf: a) Verhältnismäßig niedrige Durchsatzleistungen,
sowohl beim Vormischen als auch beim Fertigmischen und Austragen; b) bei Zwischenkühlung
erhebliche Energieverluste und schlechte Entgasung; c) beim Austragen der Fertigmischung
verhältnismäßig hohe Endtemperaturen, die die im sogenannten Heißabschlag erreichbaren
Granulierleintungen begrenzen und außerdem beim Herunterktihien des Granulats zusätzliche
Energieverluste zur Folge haben; d) unterschiedliche Austrittsgeschwindigkei en
der warmplastischen Massestränge am Mehrlocfl-Formwerkzeug der Schneckenpresse bei
erhöhti Durchsätzen
als Folge starker- Teniperaturunterschiede innerhalb
der Schmelze und gegenüber dem Werkzeug, daher ungleichmäßiges Granulat Zum Verständnis
der Erfindung ist es notwendig, hierauf näher einzugehen.
-
Die niedrigen Durchsatzleistungen der bisher bekannten Aufbereitungsverfahren
ergeben sich teils aus bestimmten stofftechnischen Forderungen beim Vormischen der
verschiedenen Komponenten und teils aus dem Mangel an geeigneten, d.h. kurze Verweilzeiten
zulassenden Vorrichtungen für das Fertigmischen und Austragen der aufbereiteten
Werkstoffe.
-
Beim Vormischen wird gewöhnlich die Forderung gestellt, daß das vorgemischte
Gut noch "rieselfähig" sein soll, damit es ohne besondere fördertechnische Maßnahmen
in den nächsten Geilprosess überführt werden kann. Diese Forderung macht nicht nur
ein zeitraubendes Eindüsen des flüssigen Weichmachers in das bewegte pulverige Mischgut
notwendig (anderenfalls kann unerwünschte Pastenbildung eintreten), sondern erfordert
außerdem - was noch schwerwiegender ist - entweder eine Herabsetzung der für das
Vormischen höchstzulässigen Temperatur, etwa auf- 30 - 500 unterhalb des Fließpunktes
der Mischung (anderenfalls ist mit Agglomeratbildung zu rechnen) oder aber das Nach-bzw,
Zwischenschalten einer Kühlphase (sogenannter Kühlmischer), also eines unwirtschaftlichen
Nebenprozesses.
-
Die Temperaturbegrenzung wirkt sich auf die Aufnahme der flüssigen
Komponenten durch die pulvrigen Komponenten in der Weise aus, daß die Diffusionsgeschwindigkeit
der von den Kornoberflächen adsorbierten flüssigen Anteile erheblich verlangsamt
wird, also das Stoffgemenge erst nach verhältnismäßig langer ischzeit die gewüns-ohte
"trockene" Konsistenz aufweist (engl.: Dry-Blend).
-
Ein weiterer Nachteil der Rückkühlung liegt darin, daß sie das Entgasen
des aufbereiteten Materials unterbindet. Gaseinschlüsse verschlechtern insbesondere
die elektrischen Eigenschaften des PVC-Granulats. Da im Kühlmischer die Gaseinschlüsse
nicht freigesetzt werden, muß das Material in der Plastifiziervorrichtung nach dem
Prinzip der- Schmelzentgasung entgast werden. -Zwar erleichtert an dieser Stelle
die hohe Schmelztemperatur die Entgasung durch einen höheren Dampfdruck der flüchtigen
Komponenten, praktisch kann aber nur die freie Oberfläche direkt entgast werden,
während der übrige Teil seine flüchtigen Bestandteile nur durch Diffusion abgeben
kann. Dies erfordert jedoch lange Verweilzeiten des Gutes in der Entgasungszone,
die aufgrund der Durchsatzgeschwindigkeit nicht ausreichend zur Verfügung stehen.
-
Die für das Pertigmischen der Vormischung und Austragen des warmplastischen
Werketoffes üblicherweise verwendeten Einschneckenpressen haben Arbeitslängen von
20 -25 D (D = Schneckendurchmesser bzw. Zylinder-Innendurchmesser). Ferner sind
die Gewinde ihrer Misch- und Austragschnecken verhältnismäßig flachgeschnitten,
beispielsweise mit Gangtiefen von 0,04 D bei D = 100 mm und 0,03 D bei D = 200 mm,
Mit Maschinen dieser Konstruktion lassen sich zwar gute spezifische Misch-und Homogenisierwirkungen
erzielen, wie sie für eine bei niedriger Temperatur hergestellte Vormischung auch
tatsächlich notwendig sind; jedoch liegen die durch den höchstzulässigen spezifischen
Energieumsatz, d.h. durch die thermische Belastbarkeit des Polymers begrenzten Durchsatzleistungen
dieser Maschine sehr niedrig.
-
Beispielsweise kann eine Maschine mit i20 Schneckendurchmesser und
25 D Länge, deren Schnecke am Ausstoßende
eine Gangtiefe von 4,5
mm aufweist, nur bis zu einer Drehzahl von etwa 60 U/min (also Umfangsgeschwindigkeiten
von 0,38 m/s) ausgefahren werden, wobei der Weich-PVC-Durchsatz 250 kg/h und die
Endtemperatur des Polymers 1900C beträgt.
-
Eine Beschränkung der Austragtemperatur muß aber nicht nur wegen der
Gefahr einer bleibenden thermischen Schädigung des feriggemischten Werkstoffes,
sondern auch wegen der Gefahr einer Traubenbildung beim Granulieren ("Heißabschlag")
der fortlaufend ausgeformten Werkstoffstränge gefordert werden.
-
Die praktische Erfahrung hat ferner gezeigt, daß bei hohen Schmelztemperaturen
ein Granulat gewonnen wird, das in der späteren Fndverarbeitung nicht ohne besondere
Maßnahmen homogen aufgeschlossen werden kann.
-
Beispielsweise zeigen Draht- und Kabelmäntel, die aus einem oberhalb
von 170 oO abgeschlagenen weich-PVC-Granulat extrudiert werden, meist Fehlstellen
in Form von Pickeln, während ein bei niedrigen Xemperaturen aufbereitetes PVO-Granulat
sich leichter zueinem einwandfreien Erzeugnis verarbeiten läßt, Eine angemessene
Absenkung der Endtemperaturen des Aufbereitungsvorganges (Austragtemperaturen) bei
hohen Durchsatzleistungen bereitet jedoch, wie der bisherige Stand der Technik klar
erkennen läßt, erhebliche Schwierigkeiten. Dabei ist zu berUckwichtigen, daß die
Durchsatzleistung einer Schnekkenpresse proportional mit der Arbeitsdreflzahl n
und die spezifische Energieuseetsung (Antriebaleistung bezogen auf die Durchsatzleistung)
in den
Schneckengängen bei vorgegebenem Schneokendurchmesser mitz
x L x n/h-2 wächst (Äi= mittlere Viskosität des Werkstoffes L = Arbeitslänge der
Schnecke; K mittlere Gangtiefe des Schneckengewindes), d.h.
-
daß bei großer Arbeitslänge und kleiner Gangtiefe und der für einen
hohen Durchsatz erwünschten hohen Arbeitsdrehzalh der Schnecke mit einer Überhitzung
des Werkstoffes zu rechnen ist.
-
Diese Gefahr besteht besonders dann, wenn die wotierende Schnecke
laufend voll beschickt wird oder wenn die Beschickung sogar mit einem gewissen ueberdruck
erfolgt. Diese Art der Beschickung hat häufig auch ein "Überfahren" der Ausstoßzone
des Schneckengewindes zur Folge, was daran zu erkennen ist, daß die ausgeformten
Stränge zeitlich wechselnde Geschwindigkeiten haben und das abgeschlagene Granulat
entsprechend unterschiedliche Korngrößen aufweist. Besonder störend ist es, wenn
die Stranggeschwindigkeit durch Pulsationen seitlich veränderlich und außerdem örtlich
verschieden sind. Dieser Fall tritt dann ein, wenn der Werkstoff aus den Schneckengängen
unmittelbar in das Ausformwekzeug gepreßt wird. So beobachtet, man bei einer Anordnung
der Austritts-Öffnung in einem Kreisring mit mehreren konzentriechen Lochkreisen,
daß der Werkstoff im inneren und äußeren Lochkreis langsamer austritt als im mittleren
Lochkreis. Ferner kann die jeweils höchste Austrittsheschwindigkeit, entsprechend
der Schneckenumdrehung, an periodisch wechselnden Stellen des Ausformwerkzeuges
auftreten. Die zeitlich und örtlich wechselnden Stranggeschwindigkeiten sind nicht
nur an der Ungleichmäßigkeit des abgeschlagenen Granulats
zu erkennen,
sie rufen u. UO auch Störungen des Eeißabschlages selbst hervor.
-
Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Einrichtung,
welche die hier beschriebenen Mängel der PVC-Aufbereitung vermeiden und wesentlich
höhere Durchsätze bei verbesserter Qualität des verarbeitungsfertigen Granulats
mit geringerem Energieaufwand erreichen lassen.
-
Gemäß der Erfindung wird das Verfahren in der Weise gefwirt, daß die
in bekannter Weise aus PVC-Pulve,r und pulverigen oder flüssigen Weichmacherzusätzen
angesetzte Charge im Vormischer durch Umsetzen mechaniacher Bewegungsenergie und
gegebenenfalls zusätzliche äußere Reizung auf eine Temperatur dicht unterhalb des
für das betreffende Mischgut charakteristischen Fließpunktes erhitzt wird, bei der
es agglomeriert. Anschließend wird die agglo merierte Charge in einem Speicherbehälter
gespeichert und unter Bewegung auf der erreichten Temperatur gehalten, Aus dem Speicherbehälter
wird das Mischgut in bekannter Weise kontinuierlich entnommen und in die Fertigmisch
und Austragvorrichtung gefördert, in der es lediglich auf eine Demperatur dicht
oberhalb des charakteristischen Fl,ießpunktes fertiggemischt und in die Granuliervorrichtung
ausgetragen wird.
-
Zunächst seien die einzelnen, an bestimmte V6rrichtungen der Granuliereinrichtung
gebundenen Verfahrensschritte nach Eigenart und Stellung im Erfindungsproblem erläutert:
1o
Je nach Weichmachergehalt und Viskosität (K-Wert) liegt der Fließpunkt einer PV0-Mischung
zwischen 150 und 17500. Die Temperatur im Vormischer soll erfindungsgemäß 3 bis
1000 darunter liegen, also zwischen etwa 140 und 17000. Bei den meist üblichen Weichmachergehalten
von 25 bis 35% des Mischungsgewichtes liegen die optimalen Endtemperaturen im Vormischer
zwischen etwa 150 und 16000. Eine so hohe Temperatur ist nur möglich bei einem Verzicht
auf die Rieselfähigkeit des Mischgutes0 Diese Endtemperatur wird durch fortlaufendes
Messen der Isttemperatur des Mischgutes und entsprechende Anpassung der Mischerdrshzahl
und/oder der äußeren Beheizung eingestellt. Man erreicht so eine sehr schnelle Aufnahme
des flüssigen Weichmachers durch das pulverförmige PVC, nämlich infolge der beschleunigten
Diffusion der an der Kornoberfläche adsorbierten Flüssigkeit in die Tiefe des dornes.
Dabei kann, da eine zwischenzeitliohe Pastenbildung oder eine bleibende Agglomerierung
des Mischgutes für die Folgeprozesse nach der Erfindung kein Erschwernis bedeutet,
die Gesamtmenge des Weichmachers innerhalb von wenigen Sekunden in den Mischerbehälter
eingebracht werden. Am Ende der Vormischphase zeigen die das Agglomerat bildenden
Partikel eine sehr gleichmäßige Verteilung aller Misohungekomponenten und eine weitgehende
Reduktion grobkörniger Anteile des -Rohpulvers zu feinkörnigen Partikeln. Es ist
daher in den nachfolgenden Phasen des Aufbereitungsprozesses nicht mehr erforderlich,
den Werkstoff zwecks Reduktion der Teilchengrößen hohen Schubspannungen aussusetzen.
-
29 Das' agglomerierte Mischgut wird chargenweise einem im allgemeinen
etwa tiefer angeordneten Speicherbehält er mit kontinuierlich bewegten Rührwerkzeugen
zugeführt,
und zwar durch Öffnen der Auslaßöffnung des Vormischers bei noch laufenden Mischwekzeugen.
-
Die Rührwerkzeuge setzen das in den Speicherbehälter überführte Mischgut
nicht nur in Bewegung, sondern halten dieses außerdem durch die von ihnen übertragene
Antriebsenergie auf einer im wesentliohen unveränderten Temperatur und Korngröße.
Es ist daher nicht erforderlich, den Speicherbehälter mit äußeren lleiz- oder Kühlelementen
auszustatten. - Das Mischgut verläßt den Speicherbehälter fortlaufend durch eine
Auslaßöffnung im Boden, wobei die umlaufenden Rührwerkzeuge und die Schwerkraft
zusammenwirken.
-
Aus dem Speicherbehälter gelangt das Mischgut bei der Arbeitsweise
nach der Erfindung in eine den Weitrtraneport tibernehmende Dosiervorrichtung, vorzugsweise
eine Einschnecken-Dosiervorrichtung. Es empfiehlt sich, den Dosierprozess in der
Weise zu führen, daß das Mischgut dabei nur geringen Prssungen ausgesetzt wird oder
aber, wenn zwischenzeitlioh eine gewisse Druckbelastung nicht zu vermeiden ist vor
dem Verlassen der Dosiervorrichtung entspannt wird. Im Falle einer Einschnecken-Doesierung
kann dies so geschehen, daß das Gangvolumen der Dosierschnecke zwischen Ein- und
Ausgang vergrößert statt, wie sonst üblich, verkleinert wird. Es sollte Jedenfalls
vermieden werden, daß der die Dosiervorrichtung verlassende Werkstoff "aufspringt",
dh.
-
sein (soheinbaros") spezifisches Volumen wesentlich vergrößert, da
dies das Einspeisen in die nachgew ordnete Fertigmisch- und Austragvorrichtung beeinträchtigen
könnte.
-
4. Aus der Dosiervorrichtung gelangt das in etwa aut der Endtemperatur
des Vormischprozesses gehaltene Mischgut drucklos in die Fertigmisch und Austragvorrichtung,
vorzugsweise eine Einschnec'kenpresse.
-
Die beiden Schnecken sind in ihren Leistungen, wie an sich bekannt,
so aufeinander abzustimmen, daß die Austragschnecke unterdosiert ist, d,.h. ihre
Gänge im Einzugsbereich nur zum Teil gefüllt sind.
-
Weitere Merkmale dieser Prozessphase sind erfindungsgemäß die im
Vergleich zu den bekannten Verfahren erheblich kürzeren Verweilzeiten und sehr geringen
mechanisch-thermischen Belastungen bzw. die sehr geringe Eemperaturerhöhung des
Mischgutes in der Austragvorrichtung. Im allgemeinen beträgt der Anstieg der Stofftemperatur
bei dieser Arbeitsweise nur 7 - t2°C, so daß die Endtemperatur. beim Austragen nur
wenige Grade oberhalb des charakteristischen ließpunktes liegt. Dies wird, wie in
der Beschreibung der Einrichtung selbst im einzelnen noch erläutert werden wird,
durch eine Verkürzung der Schneckenlänge (etwa auf 25 - 40» der üblichen Längen
von Kunststoffverarbeitungsschnecken ) und Vergrößerung der mittleren Gangtiefe
des Schneckengewindes (etwa auf das 2- bis 3-!ache der Ueblichen Gangtiefen von
Kunststoffverarbeitungsschnecken) eowie eine dadurch mögliche Erhöhung der Schneckendrehzahl
(um das Doppelte und mehr) erreicht.
-
5. Dabei kann vor oder an der Übergangsstelle von der Dosier- sur
Fertigijich und Austragvorrichtung auch noch eine Entgasung des Xisohgutes vorgesehen
werden; diese Maßnahme empfiehlt sich dann, wenn der Kuatstoffrohstoff oder eine
der Misohungskomponenten Peuohtigkeit, Luft oder andere flüchtige Komponenten enthält,
die beim Vormischen nicht entfernt werden konnten. Die Entgasung geschieht nach
dem an sich bekannten Verfahren der Trichterentgasung und ißt an dieser Stelle des
Prozessablaufs besondere wirksam, da die hohe Temperatur des Mischgutes einerseits
ein schnelles Verdampfen aller flüchtigen Komponenten
begünstigt
und andererseits Jede Staubbildung verhindert, mit der bekannte Entgaser zu kämpfen
haben, weil der feine Pulverstaub Filter und Vakuumpumpe nach kurzer Zeit zusetzt0
Außerdem ist die hier noch verhältnismäßig lockere Konsistenz des Mischgutes für
den Gesabgang vorteilhaft, Abweichend vom Bekannten wird also in dem erfindungsgemäßen
Verfahren das Mischgut ohne Zwischenschaltung einer Abkühlphase im Speicherbehälter
im heißen Zustand vom Vormischer zur Granuliervorrichtung tranaporl tiere. Daher
kann die bei den bekannten Plastifiziermaschinen bisher übliche Plastifizierung
durch starke mechanische Beanspruchung in langen Extruderschnecken entfallen, da
das Mischgutim Heißmischer bereits ausreichend vorplastifiziert ist und diese Eigenschaft
auch nicht wieder in dem Speicherbehälter verliert, der im wesentlichen nur das
vom Mischer in einzelnen Chargen gelieferte heiße Mischgut über eine vom Durchsatz
der Granuliervorrichtung bedingte Zeitspanne durch Bewegen auf gleichbleibender
Temperatur und Korngröße hält. Die Restplastifizierung des Mischgutes erfolgt durch
den iruckaufbau vor der Lochplatte der Granuliervorrichtung.
-
Das Verfahren nach der Erfindung ähnelt wegen des Wegfalls der AbkUhiphase
in gewisser Weise den mit kontinuierlichem Durchsatz arbeitenden Verfahren. Jedoch
müssen die bisher bekannten, kontinuierlich arbeitenden Anlagen einen erheblichen
Teil der Plastifizierung hinter dem Durchlaufmischer mit einer langen Extruderschnecke
leisten, was sich ungünstig auf die I)urchsatzgeschwindigkeit auswirkt, und sie
lassen eich nicht immer an die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Folgeeinrichtungen
anpassen, weshalb ihnen in solchen Fällen doch ein Kühlmi,scher nachgeschaltet werden
muß
(aOa.O., Seite 50, Abbildung 4).
-
Bezogen auf die verwendeten Vorrichtungen, ist die bekannte, mit einem
Heißmischer und einem diesem nachgeschalteten, von oben beschickten und durch eine
Bodenöffnung in eine Dosierschnecke entleerenden Speicherbehälter mit Rührwerk beginnende
und in einer Granuliervorrichtung (und ggf. einer nachgeschalteten Förder- und Kühlvorrichtung
für-das Granulat) endende Einrichtung erfindungsgemäß durch die folgenden Merkmale
gekennzeichnet: 1. Der Speicherbehälter ist als oben geschlossener und sich nach
unten zur zentrischen Auslaßöffnung ver kagender Kegelstumpf ausgebildet, in dessen
Achse die von oben angEtriebene, mehrere Zerkleinerungs- und Förderwekzeuge tragende
Rührwerk-Welle in Wälzlagern gelagert ist, von denen das obere im Behälterdeckel
und das untere von an der Behälterinnenwand sitzenden Streben gehalten ißt.
-
Er besitzt keinen Doppelmantel, keine Kühl- und keine Heizaittel.
-
2. Die Pertigmisch- und Austragvorrichtung in die Granuliervorrichtung
ist mit einer Austragschnecke ausgestattet, deren Arbeitslänge das 5- bis 10-fache
und deren Gangtiefe im mittel 1/16 bis 1/5 ihres Durchmessers ist mit einem Gangtiefen-Verhältnis
(zwischen Eingang und Ausgang) zwischen 1,1 : 1 und 2,5 : 1 bei konstanter Steigung.
-
Diese Daten entsprechen weitgehend denen von Schnecken für die Verarbeitung
warntplastischer Gummicompounds oder kalter Gummigranulate. Die anwendung dieter
an sich bekannten Schnecken flir die Endphase der Aufbereitung von Kunststoffrohstoffen
lag Jedoch nicht nahe, da bei der im
Vergleich zu Gummimischungen
wesentlich geringeren "Steifigkeit" warmplastischer Kunststoffe mit einer übermäßigen
Rückströmung des Werkstoffes in den Schneckengängen gerechnet werden mußte, Die
Rückströmung im Schneckengang wächst nämlich bei vorgegebenem Massedruck im Ausformwerkseug
mit der 3. Potenz der Gangtiefe und dem Kehrwert der Schneckenlänge. Es waren daher
bei Anwendung dieser Schnecken für Kunßtstoffmischungen sehr lange Verweilzeiten,
d.h. nur sehr niedrige Durchsatzleistungen, und auch regionale Mischeffekte, doh.
Inhomogenitäten im ausgetragenen Werkstoff zu erwarten.
-
Überraschenderweise hat die Erfindung Jedoch gezeigt, daß die in
den Vorprozessen bei verhältnismäßig hoher Temperatur vorgemischten Kunststoffe
mit einer so kurzen, tiefgeschnittenen Schnecke als homogene warmplastische Masse
ausgetragen werden können. Darüberhinaus ermöglicht die so bemessene Schnecke eine
Drehzahl erhöhung um das Doppelte und mehr und entsprechende (d.h. proportionale)
Erhöhung der Durchsatzleistung ohne wesentliche Temperatursteigerung und ohne Jede
Qualitätaminderung. Es wurde festgestellt, daß beim Übergang zu höheren Arbeitsdrehzahlen
sogar eine Qualitätsverbesserung des granulierten Werkstoffes eintreten kann.
-
3. Zwischen Speicherbehälter und Fertigmisch- und -Aus tragvorrichtung
ist ein hermetisch, abgeschlossener Entgaeungstriohter angeordnet, in dem ein Rührwerk
mit Abstrzifern hochtourig umläuft und der an eine Vakuumpuipe angeschlossen ist.
Die aus dem Speicherbehälter in diesen Trichter fördernde Dopeierschnecke ist dekompressiv
ausgelegt.
-
40 In der Granuliervorrichtung ist vor der Lochplatte im Granulierkopf
eine Pufferkammer vorgesehen, die auf etwa das doppelte Volumen der Pufferzone im
Zylinder der Austragschnecke ausgelegt ist und in die die Austragschnecke durch
eine Lochblendemit geringem Druckabfall fördert. Diese Maßnahme dient der Ausbildung
eines gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofils über den Radius des Granulierkopfes
und der Unterdrückung von Pulsationen durch stoßweises Zurückfließen des ausgetragenen
Materials in den 5 chne ckenzylin'der.
-
Im folgenden seien die Besonderheiten des erfindungegemäßen Verfahrens
und der zu seiner Durchführung benötigten Einrichtung an Schaubildern und einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen Pigo 1 eine Anlage
in Seitenansicht in schematischer Darstellung; Fig. 2 ein Schaubild über den Temperaturverlauf
in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung
von PVC-Granulaten; Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Speicherbehälter mit Dosierschnecke
und Fig. 4 einen Längsschnitt durch Dosierschnecke, Entgasungstrichter und Austragschnecke
mit Granulierkopf und Pufferkammer, Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Herstellung von
PVC-Granulat0 Das PVC-Mischgut wird in einen geheizten Flügelmischer 1 gegeben,
der zwei Drehzahlbereiche hat. Mit ihm ist ein Speicherbehälter 2 starr verbunden.
Dieser öffnet sich in den Zylinder einer Dosierschnecke 5, der seinerseits in einen
Entgasungstrichter 6 muedet. An diesen schließt sich die Fertigmisch- und Austragvorrichtung
7 mit dem Granulierkopf 8 an, der durch ein Gebläse gekühlt wird.
-
Das abgeschlagene Granulat wird mittels des Luftkühlers 10 gekühlt,
und zur (nicht dargestellten) Absackvorrichtung gefördert.
-
Bevor diese Anlage in ihrenseinzelnen Vorrichtungen näher beschrieben
wird, sei zunächst die Temperaturführung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt.
-
Fig. 2 zeigt in einem Schaubild den Temperaturverlauf in Abhangigkeit
von der Zeit für drei verschiedene Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung von
Granulat aus einem Suspensions-PVO mit einem K-Wert 70. Das Ausgangsmaterial ist
pulverförmig. Für die Granuliervorrichtung ist eine Schnecke von D = 120 mm (Schneckendurchmesser
bzw. Zylinder-Innendurcheeaser) zugrunde gelegt.
-
Die geStrichelte Linie (1) zeigt den Ablauf bei einem kontinuierlichen
Verfahren. Die Komponenten der Pva-Mischung werden zunächst in einem Fluid-Mischer
während etwa 15 Minuten vorgemischt und dabei bis auf etwa 1200C erhitzt Die Fluid-Mischer-Ohargen
werden dann in einen Durchlaufmischer eingegeben, das ist ein Rohr von ca.
-
1 1/2 m Länge und 1/4 m Durchmesser, in dem eine mit kleeblattförmigen
Taumelseheiben besetzte Welle mit 450 bis 1650 U/min. umläuft. Zwischen Jeweils
zwei Mischwerkzeugen wird das Mischgut Stoß- und Reibkräften ausgesetst, und gleichzeitig
wird eine einseitige Förderbewegung überlagert.
-
Der Durchlaufmischer speichert die Chargen, um sie dann laufend weiterzumischen
und bei weiterer Erhitzung bis auf ca. 15000 zu agglomerieren. Diese Phase dauert
ebenfalls etwa 1/4 Stunde. Der Durchlaufmischer läßt sich mit seiner Leistung der
nachfolgenden Maschine, s.B. dem Extruder oder Kalander, angleichen. Das heiße Agglomerat
kann direkt in den Walzenspalt des Kalanders eingespeist oder - im Beispiel - mittels
einer Einpressohnecke in den Extruder (120 mm, 20 - 25 D) eingegeben werden. -
Die
Temperatur im Durchlaufmischer liegt überwiegend im Klebebereich des Materials,
und zwar für eine erhebliche Zeit, und dieses wird ohne Rückkühlung in den Extruder
eingepresst. Dort wird es bei weiterer Temperaturerhöhung und einer beträchtlichen
Verweilzeit von ca. 1/2 Stunde starken mechanischen und thermischen Beanspruchungen
ausgesetzt, bis die volle Plastifizierung erreicht ist, und dann im Granulier- oder
Schneidkopf heiß zu Granulat abgeschlagen, gefördert und, gekühlt0 Die strichpunktierte
Linie (2) zeigt ein bekanntes Taktverfahren mit Rückkühlung in einem sogenannten
KühlmischerO Wie beim kontinuierlichen Verfahren werden die Ausgangsmaterialien
in einem Fluid-Mischer in etwa 15 Minuten bis auf 125°C erhitzt und vorgemischt;
die Temperatur bleibt im Mischer also mit einem Sicherheitsabstand unterhalb des
Klebebereichs. Dann wird die Charge in einen Kühlmischer ausgegeben, ih dem sie
soweit abgekühlt wird, bis sie rieselfähig ist. Die Kühlzeit liegt bei etwa 15 Minuten,
und die Chargentemperatur beträgt danach etwa 60 bis 70°C. Mantel und Rührflügel
des Kühlmischers sind doppelwandig bzw. hohl undwaasergekühlt.'Über eine Doeierschnecke
wird der Extruder (120 mm,*25 D) beschickt, in dem das Material während einer Bearbeitungszeite
von 35 Minuten eine Temperatur von etwa 170°C erreicht. Die thermische Beanspruchung
ist dadurch verhältnismäßig hoch.
-
Das heiße Agglomerat wird wieder im Schneidkopf zu Granu lat heiß
abgeschlagen, gefördert und gekühlt.
-
Die ausgezogene, etwa trapezförmige Linie (5) veranschaulicht den
Ablauf des erfindungsgemäßen Taktverfahrens mit Temperaturhaltung in einem Heißepeichers
Die pulverförmigen Ausgangsmaterialien werden in einem Flotator in derselben Zeit,
wie bei den anderen Verfahren, nämlich in 15 Minuten, auf eine wesentlich höhere
Temperatur von 15500 gebracht. Der Aufbereitungsvorgang verläuft nach dem Misc'hprozess.
bis zur Plastizität im Klebebereich.
Das heiße Agglomerat aus der
Charge wird in einen Speicherbehälter ausgetragen, der mit einem Rührwerk mit Schwertern,
Sehabern und Förderflügeln versehen ist. In diesem Speicherbehälter wird das Agglomerat
unter ständiger Bewegung auf seiner Temperatur und bei einer gewissen Körnung gehalten,
bei der es von der unter dem Speicherbehälter angeordneten Dosierschnecke angenommen
und in die Austragschnecke (120 mm, 8 D) gefördert wird. Das Material ist kleb-
aber nicht rieselfähig, und bei stehendem Rührwerk würde die Dosierschnecke kein
Material einziehen.
-
Im Klebebereich hat das Agglomerat eine niedrige Viskosität, und so
wird es von der mit hoher Drehzahl (60 Upm) laufenden Austragschnecke ohne wesentliche
Reibung und ohne wesentlichen Kraftaufwand fortbewegt, wobei seine Fließgeschwindigkeit
etwa doppelt so hoch liegt wie bei herkömmlicher Extrusion mit langen Extruderschneoken
(20 - 25 D). Die Verweilzeit beträgt gegenüber Langextrudern nur etwa 1/6, nämlich
5 Minuten. Da fernser die Extrusionstemperatur etwa 15 bis 20°C niedriger als bei
den herkömmlichen Verfahren liegt, wird insgesamt das Material thermisch wesentlich
geringer beansprucht. An der Lochplatte des Schneidkopfes ist nur noch ein geringer
Druckaufbau notwendig, um die schon im Mischer erreichte hohe Plastizität auf ihren
Endwert zu bringen.
-
Wie das Schaubild durch Vergleich der drei Kurven erkennen läßt, ist
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ausstoßleistung im Verhältnis zu den bekannten
Verfahren doppelt ea hoch, die Bxtrusionstemporatur niedriger, die Verweilzeit im
Extruder (Austragschneeke) ganz wesentlich kürzer und aus einer Abschätzung der
Flächen unter den Kurven läßt sich erkennen, daß der Energiebedarf einer Anlage
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nur einen Bruchteil des Bedarfs der bekannten
Anlagen beträgt. Dies hat seinen Grund darin daß dank
der niedrigen
Viskosität des fast mit seiner Extrusionstemperatur aus dem Speicherbehälter ausgetragenen
Agglomerats die Widerstände in den Schnecken und im Schneidkopf geringer sind und
leichter überwunden werden, so daß der Kraftbedarf an der Schneckenwelle geringer
ist und zum anderen weniger mechanische Arbeit in Wärme umgesetzt wird, die Schnecke
also schneller drehen kann, ohne das Gut thermisch zu überlasten.
-
Fig. 3 zeigt einen Längsschnit durch den Speicherbehälter 2. Er besteht
aus einem sich konisch nach unten verjüngenden Blechmantel 11, der oben durch einen
mittels einer Flanschverbindung 13 aufgesetzten konischen Deckel 14 verschlossen
ist und sich nach unten bis zur zentrischen Auslaßöffnung 15 verjüngt. Seitlich
im Deckel ist die Einfüllöffnung 16 ausgeschnitten, und auf einem Aufbau 17 auf
dem Deckel und in Verlängerung der Behälterachse sitzt der Antriebsmotor 18 für
die Rlltirwerkwelle 19.
-
Die Rührwerkwelle ist oben in einem in den Kopf des Deckels 14 eingesetzten
Wälzlager 31 gelagert und unten, oberhalb der Auslaßöffnung 15 des Behältermantels
11 in einem weiteren Wälzlager 32, das von an der 3ehälterinnenwand angeschweißten
Streben 35 getragen wird.
-
Die Rührwerkwelle 19 trägt, über ihre länge verteilt, mehrere horizontal
kreisende und Jeweils um 9O0gegeneinander versetzte Schwerter 36. Oberhalb und unterhalb
des Schwettersatsee ma Jeweils unterhalb Je eines Wälzlagers trägt sie an Armen
37 bzw. 38 aber 39, 40 und 41, von denen Eich der -Schaber 39 in dem oberen der
beiden durch die Streben 33 für das untere Wälzlager 32 gebildete Räume des Behälters
2 und die beiden anderen in dem unteren Raum bewegen. Die unteren Schaber 40 bzw.
41 ragen, wie die Zeichnung erkennen läßt, durch die Auslaßöffnung 15 hindurch,
an die das (gestrichelt gezeichnete)
Gehäuse der losierschnecke
5 angeflanscht ist; sie können zweckmäßig zugleich in axialer Richtung fördern.
Der sehr lange Schaber 39 ist nahe seinem freien unteren Ende mit der Spitze des
untersten Messers 36 verbunden und auf diese Weise abgestützt.
-
Wenn der Motor 18 die über die elastische Kupplung 42 angekuppelte
Rührwerkwelle 19 mit etwa 30 Upm antreibt, schneiden die in Drehrichtung scharfkantigen
Messer 36 und Schaber 39, 40, 41 durch das im Behälter 11 befindliche Agglomerat,
schaben es von der Behälterwand und halten es in Bewegung und zerkleinern es, um
ein Zusammenbacken und daraus entstehende örtliche thermische Belastungen zu verhindern.
Dabei sackt der Inhalt nach unten in dem Maße, wie er von der Dosierschnecke durch
die Auslaßöffnung 15 eingezogen wird.
-
Zigo 4 zeigt einen Längsschnitt durch Dosierschnecke, Entgasungstrichter
und Granuliervorrichtung mit Austragschnecke und Granulierkopf mit Pufferkammer
und Lochplatte, Oben links ist noch einmal das untere Ende des Speicherbehälters
2 dargestellt an den der Zylinder 51 der Dosierschnecke 5 angeflanscht ist. Die
Dosierschnecke (150 mm, 2,5 D) ist dekompressiv geschnitten: ihre Gangtiefe beträgt
z.B. in der Einzugzone 30 mm und in der Austragzone 36 mm. Sie wird von links über
einen (nicht dargestellten) stufenlos regelbaren Getriebemotor in einem Drehzahlbereich
zwischen 13 und 32 Upm angetrieben und drückt das aus dem Speicherbehälter 2 eingezogene
Mischgut in den stirnseitig luftdicht an sie angeflanschten Entgasungs'trichter
6.
-
Der Trichter 6 ist oben mit einem Doppelten Deckel vakuumdicht verschlossen.
Der innere Deckel 61 is-t mit feinen Bohrungen versehen, der äußere Deckel 62 trägt
ein Manometer 63, einen Stutzen für einen Entlüftungschlauch 64
zur
Vakuumpumpe 3 und einen Antrieb zur Lagerung für die'Rührwerkwelle 65, die der Anordnung
beim Speicherbehälter (Fig. 3) entsprechen; nur trägt die Rührwerkwelle 65 keine
Schwerter, sondern nur Abstreifer 66, und sie ist auch nicht noch einmal im Trichter
gelagert, da die Trichterabmessungen nur etwa 250 # x 300 mm (ohne Motor) betragen0
Die Rührwerkelle wird mit 60 - 80 Upm gedreht. Der Trichterinhalt (ca. 2 kg) kann
durch ein Schauglas 67 beobachtet werden, und gegenüber der Austragöffnung des Dosierschneckenzylinders
51 ist ein abgedichteter Deckel 68 angebracht, der geöffnet wird, wenn. die Schnecke
ausgebaut werden niuß0 Alle Durchführungen, Öffnungen und Verschlüsse sind vakuumdicht
abgedichtet Mit seiner Bodenöffnung ist der Entgasungstrichter 6 an den Zylinder
23 der Fertigmisch- und Austragschnekke 21 angeflanscht. Die Austragschnecke 21
(?20 mm 8 D) hat eine mittlere Gangtiefe von h = 125 5 mm bei einer Kompression
von nur 1,4 o 1. Die Schnecke wird von rechts von einem (nicht dargestellten3 Motor
mit 100 Upm angetriebena Kennzeichnend für die Arbeitsweise nach der Erwindung ist
die hohe Umfangsgeschwindigkeit v -# x D x n = 0,63 m/s; sie kann bis 1,0 m/s betragen.
Dabei werden aber die Schergeschwindigkeiten (Geschwindigkeitsgefälle) # x D O n/h
im Schneckengang, wegen der überproportional zur Arbeitsdrehzahl vergrößerten Gangtiefe
h, nicht erhöht, sondern im allgemeinen sogar erniedrigt. In jedem halle wird die
spezifische Antriebsleitung stark reduziert, und die Endtemperatur des fertiggemischten
und ausgetragenen Werkstoffes liegt nür wenig über seinem Fließpunkt. Das verhältnismäßig
niedrig temperierte Granulat neigt daher nur in geringem Mae zu der besonders bei
hohen Durchsatzleistungen gefürchteten Traubenbildung.
-
An die Austragseite des Schneckenzylinders 25 ist ein Topf 28 angeflanscht,
der die die Pufferzone 26 vor
der Schneckenspitze 21a bildende
Düse 24 und einen Einsatz 29 aufnimmt, und durch die Lochplatte 25 abgeschlossen
wird Der Einsatz 29 bildet eine birnenförmige Kammer 309 deren Volumen etwa doppelt
so grß ist wie das der Pufferzone 26.
-
Der Drosselwiderstand der Lochplatte 25 ist wesentlich größer als
der der Lochblende 24a in der Düse 24: erstere hat z.B. 72 bis 96 Löcher von 2 mm
Durchmesser, letztere 63 Löcher von 7 mm, also wesentlich größerem Durchmesser;
infolgedessen beträgt ihr Widerstand nur 1/8 des Widerstandes an der Lochplatte.
-
Das in der Zone 26 vor der Schneckenspitze 21a gepufferte Material
ist in axialer und radialer Bewegung. Durch die unterteilte Lochblende 24a wird
die radiale Komponente abgebremst, so daß das Material beim Eintritt in die Kammer
30 bereits wesentlich beruhigt ist. Es fließt ohne wesentliche Druckminderung zur
Lochplatte 25 am Ende der Kammer weiter und wird dabei durch die Form der Kammer
anfangs entspannt und dann wieder leicht komprimiert. Dies führt zu einer weiteren
Beruhigung. Die Granulatfäden 27 treten mit gleicher Geschwindigkeit aus der Lochplatte
25 aus, und das abgeschlagene Granulat hat ein sehr gleichmäßiges Korn.
-
Da bei Kunststoffen die Viskosität temperatur- und druckabhängig ist,
hat das Material in der Kammer 30 hinter der Lochblende 24a eine niedrigere Viskosität
als in der pufferzone vor dieser: dies und der Drosselwiderstand der Mehrfach-Lochblende
verhindern ein Zurückfließen des Materials aus der Kammer in den Schreckenzylinder0
Die Einrichtung eignet sich sowohl zur Herstellung von Weich als auch aon Hart-PVC-Granulaten;
sie kann in Einzelheiten abgeändert und den Anforderungen besonderer Aufbereitungsverfahren,
auch anderen Kunststoffmischungen angepaßt werden. Das Verfahren läßt sich z.B.
auchbei
Verwendung eines entsprechenden Mischers und einer Doppelschnecke
(80 - 100 mm; 8 - 10 D) als Austragschnecke für das Aufbereiten weichmacherfreier
PVC-Mischungen verwenden.