DE19718895C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethan-Schaum mittels flüssigem Kohlendioxid als Schäummittel - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Polyurethan-Schaum unter Verwendung von flüssigem Kohlendioxid als Schäummittel durch Zuführung dosierter Isocyanat-, Additiv-, und Polyolströme, wobei der Polyolstrom Kohlendioxid gelöst enthält, zu einem Mischaggregat und durch Entspannung der Mischung am Auslaß des Mischaggregates von einem Druck oberhalb des Gleichgewichtlösungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid unter Frei­ setzung des Kohlendioxids und anschließendes Aushärten des erzeugten Flüssig­ schaumes herzustellen; siehe z. B. EP-O 645 226 A2, WO 96/00644 A1, WO 96/02377 A1 und WO 96/1678 A1.

Dabei wird der Kohlendioxid gelöst enthaltende Polyolstrom im all­ gemeinen dadurch hergestellt, daß flüssiges, auf niedrige Temperatur von beispiels­ weise -30 bis -5°C gekühltes Kohlendioxid in den bei einem Druck von 30 bis 70 bar gehaltenen Polyolstrom injiziert wird und anschließend durch einen Statikmischer ge­ drückt wird, wobei das Kohlendioxid homogen gelöst wird. Vor der Einleitung des Kohlendioxid-haltigen Polyolstroms erfolgt im allgemeinen noch eine Druckherabset­ zung auf einen wenig, d. h. beispielsweise 1 bis 3 bar, oberhalb des Gleichgewichtlö­ sungsdruckes liegenden Wert.

In technischen Anlagen zur Polyurethan-Schaumherstellung werden je nach Anforde­ rung des Marktes unterschiedliche Schaumqualitäten hergestellt, die sich durch die Qualität des eingesetzten Polyols und den Kohlendioxidgehalt, d. h. die Dichte des fertigen Schaumes und seine Härte, unterscheiden. Dabei besteht das Polyollager aus mehreren Polyoltanks, in denen unterschiedliche Polyole vorrätig gehalten werden, die sich unter verarbeitungstechnischen Gesichtspunkten insbesondere durch ihre Viskosi­ tät unterscheiden. Je nach gewünschter Polyurethan-Schaumqualität werden Mi­ schungen der unterschiedlichen Polyole eingesetzt, die zum Teil auch Füllstoffe ent­ halten können. Zur Herstellung einer gewünschten Polyolmischung werden mittels aufwendiger Dosierpumpen in gewissen Grenzen druckunabhängig im gewünschten Mischungsverhältnis entsprechende Teilmengenströme in eine gemeinsame Leitung, in der die Mischung gebildet wird, gefördert. Der Druckbereich, in dem die Dosier­ pumpen arbeiten, ist im allgemeinen nicht ausreichend, um den für die Vermischung mit dem flüssigen Kohlendioxid erforderlichen Druck bereitzustellen, außer man würde sehr aufwendige Pumpen einsetzen. Selbst wenn man auf solche aufwendigen Pumpen zurückgreifen würde, die einen ausreichenden Druck für die Vermischung mit dem flüssigen Kohlendioxid erzeugen, müßte der Statikmischer jeweils an die Viskosität der eingesetzten Polyolmischung bzw. an unterschiedliche Polyolgemisch­ mengen angepaßt werden, da der Druckabfall über dem Statikmischer stark viskositäts-, vor allem aber auch stark mengenabhängig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen dosierten Polyolstrom mit dosiertem Kohlen­ dioxidgehalt mit variabler Polyolqualität und varibaler Durchsatzmenge unter Einsatz von Dosierpumpen, die gegen einen relativ geringen Druck, der für die Vermischung von Polyol und flüssigem Kohlendioxid nicht ausreicht, zu fördern, wobei ferner ein Austausch des Statikmischers bei wechselnder Polyolqualität (insbesondere mit unter­ schiedlicher Viskosität und wechselnder Polyolgemischmenge) nicht erforderlich ist.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bereitstellung eines dosierten Polyol­ stromes mit dosiertem Gehalt an Kohlendioxid bei einem Druck, der nur wenig oberhalb des Gleichgewichtlösungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid liegt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß aus einem oder mehren Polyolvorratsbehältern mittels Dosierpumpen ein oder mehrere dosierte Polyolströme zur Verfügung gestellt werden, die gegebenenfalls mehreren Polyolströme in einer gemeinsamen Leitung ver­ einigt werden, mittels einer Druckerhöhungspumpe ein von der Pumpencharakteristik abhängiger Teilstrom aus dem Polystrom auf das zur Vermischung mit Kohlendioxid erforderliche Druckniveau gebracht, in einem Statikmischer mit einem dosierten Kohlendioxidstrom vermischt, mit dem restlichen Polyolstrom wiedervereinigt und der Druck reduziert wird.

Der den Statikmischer verlassende Kohlendioxid-haltige Polyol-Teilstrom befindet sich auf einem Druck, der oberhalb des Lösungsgleichgewichtsdrucks des Kohlen­ dioxids in dem Teilstrom liegt. Der wiedervereinigte Polyolstrom wird anschließend auf den Eingangsdruck in das Mischaggregat reduziert, d. h. auf einen Druck, der nur wenig oberhalb des Lösungsgleichgewichtdruckes des Kohlendioxids in dem wieder­ vereinigten Polyolstrom liegt. Die Druckreduktion kann mittels eines Druckreduk­ tionsventils bzw. Druckhalteventils, das am Eingang des Mischaggregates vorgesehen ist, erfolgen. Sie kann auch dadurch bewirkt werden, daß die Rohrverzweigungsstelle, an der der Kohlendioxid-haltige Teilstrom mit dem restlichen Polyolstrom wieder­ vereinigt wird, durch ein entsprechend langes Rohrleitungsstück mit dem Eingang des Mischaggregates verbunden ist, wobei in dem Rohrleitungsstück ein ausreichender Druckabfall erfolgt.

Bevorzugt ist jedoch ein Druckhalteventil am Eingang des Mischaggregates.

Die Variabilität des Verfahrens kann dadurch noch erhöht werden, daß zwischen Ausgang des Statikmischers und der Wiedervereinigung der Polyolströme ein zusätz­ liches Druckhalteventil vorgesehen wird. Hierdurch ist es möglich, über den Statik­ mischer auch sehr geringe Druckabfälle, z. B. bei Einsatz sehr niedrig viskoser Polyole zuzulassen ohne daß der dann am Ausgang des Statikmischers noch herrschende relativ hohe Druck gegen die Dosierpumpen wirkt.

Die Druckerhöhungspumpe, die in dem einen Teilstrom den für die Vermischung mit dem Kohlendioxid erforderlichen Druck erzeugt, kann ohne aufwendige Steuerung, wie sie bei Dosierpumpen erforderlich ist, betrieben werden. Der mittels dieser Pumpe durch den Statikmischer geförderte Teilstrom braucht nicht dosiert zu sein. Er kann in Abhängigkeit von der Viskosität des Polyols, die auch von der Menge des gelösten Kohlendioxids abhängig ist, in gewissen Grenzen schwanken, wobei der andere Teil­ strom entsprechend komplementär variabel ist. Aus Gründen der Anlagensicherheit kann ferner in der anderen Teilstromleitung ein Rückschlagventil vorgesehen sein, so daß eine Rückströmung von Kohlendioxid-haltigem Polyol durch diese andere Teilstromleitung sicher vermieden wird.

Zur weiteren Entlastung der aus den Polyol-Vorratsbehältern fördernden Dosier­ pumpen kann ferner in der Teilstromleitung für den komplementären Teilstrom eine zusätzliche Druckerhöhungspumpe vorgesehen sein, die den Polyol-Teilstrom ohne Statikmischer auf ein Druckniveau in der Nähe des Lösungsgleichgewichtdrucks des Kohlendioxids in dem ersten Teilstrom anhebt. Dies erlaubt, die Polyoldosierpumpen im wesentlichen drucklos zu betreiben.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethan-Schaum enthaltend Vorratsbehälter für die Komponenten Isocyanat, Polyole, Additive und flüssiges Kohlendioxid, eine Mischvorrichtung zum Lösen von Kohlendioxid in dem Polyol, ein Druckreduktionsventil zur Einstellung eines für die Vermischung mit flüssigem Kohlendioxid erforderlichen Druckes, ein Mischaggregat zur Vermischung der Komponenten, ein Druckentspannungselement am Ausgang des Mischaggregates, Förder- und Dosiereinrichtungen für die Komponenten zum Mischaggregat, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die ge­ gebenenfalls mehreren Polyole zu einer gemeinsamen Leitung dosiert werden, die ge­ meinsame Leitung einen Bypass aufweist, in deren einem Zweig eine nichtmengen­ stromgesteuerte Druckpumpe, eine Einleitvorrichtung für flüssiges Kohlendioxid und ein Statikmischer vorgesehen sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethan- Schaum in einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 zeigen alternative Ausführungsformen der Polyol- Teilstrom-Leitungen.

Fig. 1 zeigt ein Mischaggregat 1, in das die Isocyanat-Komponente 2 und die Kohlendioxid enthaltende Polyolkomponente 3 in dosierten Mengenströmen einge­ speist werden. Ferner sind Einspeisungsleitungen für weitere Additive vorgesehen. Unterhalb des Mischaggregates 1 befindet sich das Druckentspannungselement 4, durch das die im Mischaggregat 1 vermischten Komponenten der Polyol-Reaktiv­ mischung von einem Druck oberhalb des Gleichgewichtlösungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid an die Atmosphäre entspannt wird, wobei die aufschäumende Polyurethan-Reaktivmischung 5 austritt. Der Kohlendioxid-haltige Polyolstrom 3, der sich auf einem Druckniveau befindet, das wenig oberhalb des Gleichgewicht­ lösungsdrucks für das CO₂ in dem Polyol befindet, wird wie folgt bereitgestellt: Mittels Dosierpumpen 10, 11 ......., 1 n werden aus nicht dargestellten Vorratsbehältern dosierte Polyolströme P1, P2, ...... P_n entsprechend dem für die Rezeptur vorge­ gebenen Mischungsverhältnis in eine gemeinsame Leitung 20 gefördert. Die Leitung 20 verzweigt sich in die Leitungen 21 und 22, wobei sich in der Leitung 22 eine Druckerhöhungspumpe 23 und ein Statikmischer 24 befinden, sowie unmittelbar vor dem Statikmischer 24 eine Einspeisungsstelle 25 für einen dosierten Strom flüssigen Kohlendioxids. Die Pumpe 23 stellt vor dem Statikmischer einen Druck von 30 bis 70 bar zur Verfügung, bei dem das flüssige Kohlendioxid ohne zu verdampfen in Lösung geht, die Druckerhöhungspumpe 23 entnimmt der Leitung 20 soviel Polyol, wie erforderlich ist, um vor dem Statikmischer 24 den erforderlichen Druck aufrecht zu erhalten. Die restliche Polyolmenge geht durch Leitung 21. Mittels Druckhalte­ ventil 6 wird in Leitung 26 ein Druck aufrechterhalten, der oberhalb des Gleichge­ wichtlösungsdruckes für das gelöste CO₂ in dem Teilstrom der Leitung 26 liegt.

In Fig. 2 ist ein zusätzliches Druckhalteventil 7 vorgesehen, das es erlaubt, in Leitung 26 den Druck nur wenig oberhalb des Gleichgewichtlösungsdruckes für das in dem Teilstrom gelöste Kohlendioxid zu halten, wobei der Druck am Ausgang des Statikmischers 24 höher gehalten werden kann, so daß an der Einspeisungsstelle für das Kohlendioxid 25 der für die Vermischung erforderliche Druck aufrechterhalten werden kann.

In Fig. 3 ist in der Teilstromleitung 21 ein Rückschlagventil 8 vorgesehen, das eine Rückströmung des Kohlendioxid-haltigen Polyols zur Druckpumpe 23 verhindert.

In der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 4 ist auch in der Teilstrom­ leitung 21 eine Druckerhöhungspumpe 9 vorgesehen, die die Dosierpumpen 10, 11, ...... 1 n (Fig. 1) weiter entlastet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bereitstellung eines dosierten Polyolstromes mit dosiertem Gehalt an Kohlendioxid bei einem Druck, der nur wenig oberhalb des Gleich­ gewichtlösungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid liegt, durch Einstellung eines für die Vermischung mit flüssigem Kohlendioxid erforderlichen Druckes, Vermischung von Polyol und Kohlendioxid in einem Statikmischer und Druck­ reduktion, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem oder mehreren Polyol­ vorratsbehältern mittels Dosierpumpen ein oder mehrere dosierte Polyolströme zur Verfügung gestellt werden, die gegebenenfalls mehreren Polyolströme in einer gemeinsamen Leitung vereinigt werden, mittels einer Druckerhöhungs­ pumpe ein von der Pumpencharakteristik abhängiger Teilstrom aus dem Polyol­ strom auf das zur Vermischung mit Kohlendioxid erforderliche Druckniveau gebracht, in dem Statikmischer mit einem dosierten Kohlendioxidstrom ver­ mischt, mit dem restlichen Polyolstrom wiedervereingt und der Druck re­ duziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kohlendioxid enthaltenden Teilstromes vor der Vereinigung mit dem rest­ lichen Polyolstrom auf einen Druck nahe dem Gleichgewichtlösungsdruck für das Kohlendioxid in dem Teilstrom reduziert wird.

3. Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Schaum unter Verwendung von flüssigem Kohlendioxid als Schäummittel durch Zuführung dosierter Iso­ cyanat-, Additiv-, und Polyolströme, wobei der Polyolstrom Kohlendioxid gelöst enthält, zu einem Mischaggregat und Entspannung der Mischung am Auslaß des Mischaggregates von einem Druck oberhalb des Gleichgewicht­ lösungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid unter Freisetzung des Kohlen­ dioxids, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlen­ dioxid-haltige Polyolstrom nach einem der Ansprüche 1 oder 2 bereitgestellt wird.

4. Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethan-Schaum, enthaltend Vorrats­ behälter für die Komponenten Isocyanat, Polyole, Additive und flüssiges Kohlendioxid, eine Mischvorrichtung zum Lösen von Kohlendioxid in dem Polyol, ein Druckreduktionsventil zur Einstellung eines für die Vermischung mit flüssigem Kohlendioxid erforderlichen Druckes, ein Mischaggregat zur Vermischung der Komponenten, ein Druckentspannungselement am Ausgang des Mischaggregates mit den entsprechenden Förder- und Dosiereinrichtungen für die Komponenten zum Mischaggregat mit dem Kennzeichen, daß die ge­ gebenenfalls mehreren Polyole zu einer gemeinsamen Leitung dosiert werden, die gemeinsame Leitung einen Bypass aufweist, in deren einem Zweig eine nicht mengenstromgesteuerte Druckerhöhungspumpe, eine Einleitvorrichtung für flüssiges Kohlendioxid und ein Statikmischer vorgesehen sind.