DE19644839A1 - Entgasungskondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine senkrecht stehende Schnecken­ maschine zum Entgasen viskoser Stoffe, vorzugsweise Polymeren, deren in einem rotierenden Kranz mit engem Spiel zueinander angeordnete Fördermischwellen achsparallel, gleichsinnig drehend und ineinandergreifend, sich mit ihren Oberflächen gegenseitig, sowie mit ihren Kämmen die von ihnen eng umhüllte und sie beidseitig endseitig antreibende zentrale Antriebswelle zwangs­ weise abschabend, auf ihrer Kranzaußenseite eine Dünnschicht bilden.

Die Hauptanmeldung nach 196 07 662.5-16 hatte bevorzugt das Ziel, dünne Schichten bei langen Verweilzeiten zu erzielen, wobei nur geringere Mengen an abzusaugenden Gasen entstehen, wogegen diese Anmeldung hauptsächlich darauf abzielt den Bereich abzudecken - beispielsweise die Entspannungsentleerung aus einem Rührkessel - bei dessen Vorgang schlagartig große Mengen an Gasen freiwerden, so daß dies zu einer Flashver­ dampfung führt und deshalb eine enorme Schaumbildung damit verbunden ist.

Falls gleichläufige Doppelschnecken für diesen Prozeß einge­ setzt werden, führt dies zu unliebsamen Verstopfungserscheinun­ gen an deren Entgasungsstutzen wegen den großen Schaumvoluminas, verbunden mit den verhältnismäßig zu großen Gasmengen bezogen auf die systembedingten, zu kleinen Absaugöffnungen und dadurch zu unerwünscht hohen Gasgeschwindigkeiten in diesen Maschinen.

Derzeitig verwendete Rührkessel haben den Nachteil, daß sie nur eine bestimmte Viskositätsobergrenze zulassen, weil einerseits die Entgasung zu lange Zeit beanspruchen würde und andererseits bei einer Schnellentleerung - welche wegen der besseren Gleich­ mäßigkeit des Produktes erwünscht wäre - bei einem Stickstoff­ durchbruch zu viel Restprodukt im Kessel zurückbleibt und mit dem Neuansatz vermischt werden muß, so daß dies wiederum eine Qualitätsminderung zur Folge hat bzw. der Kessel mit Minder­ leistung arbeitet.

Wird im Rührkessel entspannt, so muß das sehr langsam erfolgen, um ein Ansetzen des entstehenden Schaumes an der Kesseldecke zu vermeiden, weil sonst der Ansatz unbrauchbar würde, so daß für das Produkt unnötig lange Verweilzeiten erforderlich werden, was einerseits das Produkt verschlechtert, andererseits den Kessel unwirtschaftlicher macht.

So haben Rührkessel folgende Nachteile kurz zusammengefaßt:
Relativ lange Mischzeit, was den Nachteil hat, daß Reaktanten schon der Temperatur ausgesetzt werden, obwohl sie mit ihren Reaktionspartnern noch gar nicht in Berührung gekommen sind.

Kleine Oberfläche zum Vakuum bringt nur eingeschränkte Entga­ sungsleistung, braucht deshalb Zeit, so daß das Verarbei­ tungsgut unnötig lange hohen Temperaturen ausgesetzt wird.

Kleine Heizfläche im Verhältnis zum Volumen sorgt für zu lange und ungleichmäßige Aufheizung des Verararbeitungsgutes und damit einer inhomogenen Temperaturverteilung im Mischgut.

Die Grenzschicht an der Reaktionsgutoberfläche brennt am Kessel an und führt zu Gelbfärbungen im Mischgut und damit zu Produktschädigung bzw. bei empfindlicheren Produkten zu Verunreinigungen so daß eine Feinstfilterung des Verarbei­ tungsgutes mit enormen Aufwand und Kosten die Folge ist.

Die Polykondensation höherer Viskositäten ist deshalb nicht möglich, weil der dazu notwendige Stickstoffdruck fehlt aus Dimensionsgründen der Kessel. Ferner sorgt hoher Entleerungs­ druck für zu Große Restmengen im Behälter, was aus Qualitäts­ gründen unerwünscht ist.

Die Polymerisationswärme breitet sich volumetrisch aus und die Wärmetauscherflächen dagegen können nur geometrisch ange­ boten werden, d. h. der Kessel macht während der Polymerisa­ tion was er will und kann deshalb von außen nicht genügend beeinflußt werden.

Die Produkteigenschaften von Ansatz zu Ansatz sind zu ver­ schieden, so daß sie mit sehr aufwendigen, nachgeschalteten Homogenisiereinrichtungen verwischt werden müssen und deshalb enorme Lagerkapazitäten unumgänglich sind.

Der Kessel muß nach mehreren Ansätzen manuell gereinigt werden, was für die dafür tätigen Arbeiter ein enormes Gesundheits­ risiko darstellt und sich auch zeitlich deshalb nicht beschleunigen läßt, weil nur ein Mann angeseilt in den Kessel darf und mit einem zweiten Mann verbunden ist, der außerhalb vom Mannloch Wache hält.

Außerdem setzten diese enormen Stillstandszeiten die Verfüg­ barkeit der Kessel gewaltig herab, was wirtschaftlich schon deshalb nicht vertretbar ist, weil die vor- und nachgeschal­ teten Apparaturen in Form von sehr teueren Investitionen ebenfalls außer Betrieb genommen werden messen.

Der Kessel ist sehr personalintensiv, ein reibungsloser Schicht­ betrieb deshalb nie möglich, so daß ein Microprozessor­ gesteuerter, vollautomatischer Produktionsablauf damit nicht erreichbar ist.

Das Molekulargewichtsspektrum des erzeugten Polymers ist viel zu breit gestreut, so daß höchste Qualitäten garnicht erzeugt werden können.

Der Platzbedarf einer kontinuierlichen Rührkesselkaskade ist besonders hoch und auf mehrere Stockwerke verteilt, so daß sich damit hohe Gebäudekosten ergeben.

Aufgabe dieser Erfindung ist es deshalb, einerseits zu vermeiden, daß in Ermangelung geeigneter Apparaturen, die Rührkessel immer wieder für Verfahren eingesetzt werden müssen, für die sie zu viele Nachteile aufweisen, wie die obige Aufstellung zeigt und andererseits die Betriebsunsicherheit an gleichläufigen Doppel­ schnecken durch Verstopfungserscheinungen zu umgehen, welche zu unliebsamen Betriebsunterbrechungen führen und weiterhin eine Vorrichtung dafür zu schaffen, um hochviskose Polymere herstel­ len zu können, deren wirtschaftliche Erzeugung bis jetzt nicht möglich war, zumal mit dem Anmeldungsgegenstand hohe Viskosi­ täten sehr leicht zu verarbeiten sind und lange Verweilzeiten neuerdings auch wirtschaftlich erreichbar sind, wobei die Entgasung von hohen Prozentsätzen an Lösungsmitteln dabei keinerlei Probleme bereiten, wie Versuche zeigten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß das Verarbeitungsgut über mehrere, sich konisch erwei­ ternde Düsen, deren Anzahl der Wellenzahl entspricht, in eine sich allseits selbstreinigende, geschlossene, gasun­ dichte Expansionskammer, strömungsorientiert hineinex­ pandiert, wobei die dabei entstehenden Gase über das Betriebsspiel der Fördermischwellen nach außen entweichen können,
daß das Verarbeitungsgut nach der Flashverdampfung mittels der in der zentralen Antriebswelle wirksamen Heizung einerseits und den auf den Fördermischwellen angeord­ neten Mischelementen andererseits, wieder auf die Ver­ dampfungstemperatur des auszudampfenden Stoffes gebracht wird,
daß die Fördermischwellen auf ihrer gesamten Entgasungslänge, von einem kühlbaren, beabstandeten Gehäuse umgeben sind, wobei die ausgedampften Gase an der Innenwand der gekühl­ ten Entgasungskammer kondensieren und das Kondensat an deren tiefster Stelle ablaufen kann, an welcher auch eine Vakuumquelle angeschlossen ist.

Am Beispiel zur Entlactamisierung aus der Schmelze von PA 6 soll die verliegende Erfindung erläutert werden.

Das aus der Nachkondensation anfallende PA 6 kann noch etwa 10% Lactam enthalten, welches beispielsweise auf unter 1% reduziert werden soll. Die am Innenkranz im Oberteil der Fördermisch­ wellen mit etwa 10 bar zugepumpte Polyamidschmelze hat eine Temperatur von etwa 255°C, so daß beim Eintritt des Verar­ beitungsgutes in die Entgasungskammer eine Flashverdampfung erfolgt und die Materialtemperatur schlagartig abfällt, dabei ist es vorteilhaft, diese mittels äußerer Beheizung bzw. innerer Umsetzung von mechanischer Energie in Wärme wieder so anzuheben, daß die Restlactammenge wieder unter Dampfdruck steht und die sich bildenden Blasen in der Dünnschicht zum Platzen gebracht werden.

Bei dem zur Anwendung kommenden Vakuum liegt die Verdampfungs­ temperatur von Lactam etwa bei 178°C, so daß es ausreichend ist, die Tempertatur am Kondensator bei etwa 150°C zu halten und damit das Lactam noch genügend dünnflüssig ablaufen kann.

Da diese Flashverdampfung mit einer enormen Schaumbildung ver­ bunden ist und eine ungewollte Volumenvergrößerung zur Folge hat, ist es deshalb besonders vorteilhaft, den Wellenkranz nur innen zu beschicken, so daß das kleine Betriebsspiel der Schnecken zueinander verbunden mit deren Umdrehungen gegen­ über dem Schaum wie ein sich selbst reinigendes Filter wirksam ist, das zwar die Gase durchläßt, jedoch nicht den Schaum, so daß wegen der starken Adhäsion der Schmelze an der Schnecken­ oberfläche, dieser zusätzlich noch mechanisch zerstört wird.

Diese Arbeitsweise ist gegenüber anderen Schmelzeentgasungsver­ fahren mittels Doppelschnecken wesentlich betriebssicherer, zumal dort nur ein Bruchteil der Oberfläche von zwei Schnecken zum Abtransport der Gase zur Verfügung steht, wogegen hier die gesamte Kranzoberfläche über 360° verfügbar ist.

Auch ist von großen Vorteil, dem sich bildenden Schaum an seiner Entstehungsstelle ein möglichst großes Fördervolumen durch Teil­ füllung der Fördermischwellen anzubieten, indem dort eine möglichst große Steigung vorgesehen ist, so daß keinerlei äußere Kräfte infolge von Platzmangel auf den Schaum einwirken können, zumal dieser sehr weich ist und sich elastisch verhält. Da am Innendurchmesser der einlaufseitigen Stauscheibe, das Verar­ beitungsgut in den sich konisch erweiternden Düsen bereits strömungsorientiert expandieren kann, wird damit eine definierte Strömungsrichtung in den Zwickelbereich der nachfolgenden Fördermischwellen erreicht, so daß der Schaum in einer, in sich völlig abgeschlossenen, gasundichten Kammer, welche von den Oberflächen der Fördermischwellen des inneren Wellenkranzes und der Mantelfläche der zentralen Antriebswelle gebildet wird, eingeschlossen ist, wogegen das Gas durch das Betriebsspiel der Fördermischwellen entweichen und sofort an der äußeren Mantel­ fläche des Entgasungsraumes kondensieren muß.

Die Wiederaufheizung des Verarbeitungsgutes erfolgt mittels der Äußeren Beheizung der zentralen Antriebswelle einerseits und durch die auf den Fördermischwellen angeordneten Mischelemente andererseits, zumal die Viskosität des zu entgasenden Stoffes sehr rasch zunimmt, bei weniger werdenden Schaumanteil.

Überlagert dazu ist noch Folgendes zu berücksichtigen:
Bei den hier in Frage kommenden Verarbeitungsgütern handelt es sich vorwiegend um qualitativ hochwertige Produkte, so daß sie deshalb eine sehr enge, maximal zulässige Materialtemperatur­ obergrenze deshalb erfordern, weil Kondensationspolymere sonst zu Monomerrückbildungen neigen und Polymerisationpolymere Oligo­ mere bilden, was beides unerwünscht ist und zu Qualitätsein­ busen führt. Deshalb ist es sehr wichtig bei derartigen Entga­ sungsvorgängen, die äußere Beheizung des Verarbeitungsgutes nur mit sehr geringem Wärmegefälle durchzuführen und vielmehr die innere Wärmerzeugung anzustreben, weil diese im Verarbeitungs­ gut wesentlich homogener verteilt ist, damit die Blasen gleich­ mäßiger zum Platzen bringt und somit bessere Entgasungsergeb­ nisse erzielt werden, so daß auf die Zugabe eines Schleppmit­ tels größtenteils verzichtet werden kann.

Die Anwendung von Mischelementen in der Entgasungszone hat noch den weiteren Vorteil, daß mit diesen die Blasen mecha­ nisch effektiver zerstört werden.

Die naheliegende Annahme, daß die Schmelze von den Schnecken abgeschleudert und die innere Gehäuseoberfläche unzulässig verkleben würde ist deshalb unzutreffend, weil die Adhäsins­ kräfte der Schmelze zu den Schnecken ein Vielfaches höher sind, als die auftretenden Fliehkräfte sein können, wie Versuche gezeigt haben.

Einen weiteren Vorteil bietet diese erfindungsgemäße Arbeits­ weise mit der Kondensation in der Maschine deshalb, weil das Lactam völlig unverschmutzt in den Rohstoffkreislauf zurück­ gelangt und es durch Schleppmittel nicht verunreinigt wurde so daß nur sehr wenig oder überhaupt kein Lactam zur Vakuum­ quelle gelangen kann, wobei die Kondensation selbst in der Maschine als Unterdruckquelle wirksam ist, außerdem ist ein wesentlich geringerer apparativer Aufwand erforderlich.

Die vorliegende Erfindung hat gegenüber der gleichläufigen Doppelschnecke beim Flashverdampfen derartiger Stoffe noch Vorteile, welche in ihren gesamten Ausmaßen noch gar nicht abzuschätzen sind.

So hat die Vielwellenmaschine wenigstens 4 mal mehr Wellen zu bieten, was bedeutet, daß eine wenigstens 4 mal größere Ober­ fläche dem Verarbeitungsgut zur Oberflächenerneuerung angeboten wird.

Da in der Vielwellenmaschine zwei kreisförmig, um ihre Mitten­ achse umlaufende Materialströme mit entgegengesetzten Drehrich­ tungen am Außenkranz eine Dünnschicht bilden, so daß dadurch vakuumseitig in diesen dünnen Schichten die im Schaum enthal­ tenen kleinen Bläschen leichter zum Platzen gebracht werden können, wobei die frei werdenden Gase nicht erst durch Laby­ rinthgänge mit unnötigen Umlenkungen ihren Weg suchen müssen wie bei der Doppelschnecke, sondern gleich an der Entstehungs­ stelle ohne langen Umwegen kondensieren können.

Die wenigstens 4 mal mehr Fördermischwellen fördern in Abhängig­ keit ihrer Gangzahl auch eine mehrfache Durchsatzenge pro Zeit­ einheit, bezogen auf gleiche Durchmesser und Maschinenlänge gegenüber der gleichläufigen Doppelschnecke.

Der erfindungsgemäße Vorteil der Materialeinspritzung in das Verfahrensteil der Vielwellenschnecke liegt darin, daß der Materialstrom in 12 Einzelströme aufgeteilt wird, gegenüber der Doppelschnecke, d. h. die spezifische Gasbelastung pro Welle ist in dem hier dargestellten Fall, 6 mal kleiner gegenüber der Doppelschnecke. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Einspritzbohrungen mit der Stauscheibe mitdrehen, jedoch zu den Zwickelbereichen der Fördermischwellen immer dieselbe definierte Lage einnehmen.

Ferner ist die erfindungsgemäße Folge, daß ein Längsmischeffekt der zwei entgegengesetzt rotierenden Materialschichten zueinander entsteht, deren Wirksamkeit bisher bei einer gleichläufigen Doppelschnecke unbekannt ist, weil dort nicht möglich.

In nachfolgender Tabelle sind die Zusammenhänge hinsichtlich Durchsatzmenge, Verweilzeit, Längsmischung usw. dieser beiden Maschinengattungen grob gegenübergestellt.

Die optimale Ausbildung des Vielwellensystems, je nach Verfah­ rensaufgabe und Schwerpunkt läßt sich aus obiger Tabelle heraus­ lesen, ohne langwierige und deshalb kostspielige Versuche durch­ führen zu müssen.

Nach Prof. Rumpf von der UNI-Karlsruhe, ist ein Mischvorgang, welcher unter Temperatur stattfindet dann zum Scheitern verur­ teilt, wenn dem Mischvorgang nicht ein definierter Stofftrans­ portvorgang überlagert ist, was in der vorliegenden Erfindung konsequent angestrebt wurde, so daß sich für die Entgasungsma­ schine nach der Hauptanmeldung 196 07 662.5-16 bzw. dieser Zusatzanmeldung dieser Maschinengattung folgende Vorteile ergeben:
Diese Vielwellenmaschine ist ein kontinuierlicher, program­ mierbarer Hochleistungsmischer für nieder- und hochviskose Stoffe mit veränderbarer Verweilzeit und engem Verweilzeit­ spektrum, welcher die einzelnen Komponenten extrem rasch, gleichmäßig bei einstellbarer Scherenergie verteilt und mit­ einander in innige Verbindung bringt, so daß temperatur­ empfindliche und 1 oder reagierende Produkte verarbeitet werden können, wobei die sich selbst abstreifenden Misch- und Förderelemente das Verarbeitungsgut an ihrer vakuumsei­ tigen Oberfläche zu dünnen Schichten ausbreiten und das angebotene Oberflächen- Volumenverhältnis unübertroffen ist.

Durch das zwangsweise Ausbreiten und Umschichten des Misch­ gutes sowie der enormen Oberflächenerneuerung lassen sich Microprozessoren einsetzen, so daß damit eine Programmierung möglich wird und damit eine Vollautomatisierung des Verfah­ rensablaufs.

Der definierte Stofftransport in der gesamten Maschine erlaubt allerhöchste Qualitätsansprüche an das Endprodukt und eine bisher unbekannte Rohstoff- und Energienutzung.

Die am Verfahren beteiligten Maschinenkomponenten sind nicht mehr zu vereinfachen bzw. zu vermindern, was eine unüber­ troffene Raumnutzung und optimale Energieausbeute ermög­ licht (pro Kg Durchsatz/Bruttoliter Maschinenbau bei KW installierter Leistung bei m² Stellfläche und m³ Raumbedarf), so daß diese, für diese Maschinengattung erzielbaren spezifi­ schen Werte, von keinem der bisher bekannt gewordenen Verfah­ ren zur Entmonomerisierung aus der Schmelze erreichbar sind.

Der Materialzu- und Ablauf, die Axiallagerung und der Antrieb der Fördermischwellen bzw. der zentralen Antriebswelle, wurde in der Hauptanmeldung ausführlich behandelt, so daß sich eine Wiederholung erübrigt.

Der Gegenstand der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 das einlaufseitige Antriebsteil der Vorrichtung im Längs­ schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt des Anmeldungsgegenstandes nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 die auslaufseitige Antriebshälfte mit der Axiallagerung der zentralen Antriebswelle im Längsschnitt ohne Antriebsmotor.

Claims (3)

1. Senkrecht stehende Vorrichtung zum Entgasen viskoser Stoffe, vorzugsweise Polymeren, deren in einem rotierenden Kranz mit engem Spiel zueinander angeordnete Fördermischwellen achspara­ llel, gleichsinnig drehend und ineinandergreifend, sich mit ihren Oberflächen gegenseitig, sowie mit ihren Kämmen, die von ihnen eng umhüllte und sie beidseitig endseitig antrei­ bende zentrale Antriebswelle zwangsweise abschabend, auf ihrer Kranzaußenseite eine Dünnschicht bilden dadurch gekenn­ zeichnet,
daß das Verarbeitungsgut über mehrere, sich konisch erwei­ ternde Düsen, deren Anzahl der Wellenzahl entspricht, in eine sich allseits selbstreinigende, geschlossene, gasun­ dichte Expansionskammer, strömungsorientiert hineinex­ pandiert, wobei die dabei entstehenden Gase über das Betriebsspiel der Fördermischwellen nach außen entweichen können,
daß das Verarbeitungsgut nach der Flashverdampfung mittels der in der zentralen Antriebswelle wirksamen Heizung einerseits und den auf den Fördermischwellen angeord­ neten Mischelementen andererseits, wieder auf die Ver­ dampfungstemperatur des auszudampfenden Stoffes gebracht wird,
daß die Fördermischwellen auf ihrer gesamten Entgasungslänge, von einem kühlbaren, beabstandeten Gehäuse umgeben sind, wobei die ausgedampften Gase an der Innenwand der gekühl­ ten Entgasungskammer kondensieren und das Kondensat an deren tiefster Stelle ablaufen kann, an welcher auch eine Vakuumquelle angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß am Innendurchmesser der Stauscheibe, achsmittig zu den Förder­ mischwellen, Halbreisbohrungen angebracht sind, welche sich stromabwärts so konisch erweitern, daß düsenaustrittseitig diese Erweiterung das Zwickelprofil der nachfolgenden Förder­ mischwellen aufweist, so daß das Arbeitsgut sich bereits in dieser Halbdüse entspannen kann und damit dessen Strömungs­ richtung in diese Zwickelbereiche festgelegt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Stauscheibe sich Schneckenbüchsen mit Mischelementen gegenseitig abwechseln und die Steigungen der Schneckenbüchsen entsprechend der Volumenminderung des Verarbeitungsgutes abnimmt.