DE2112464A1

DE2112464A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von poroesen Koernern

Info

Publication number: DE2112464A1
Application number: DE19712112464
Authority: DE
Inventors: A E U Kerne; P U J Nyberg
Original assignee: Tampella Oy AB
Current assignee: Tampella Oy AB
Priority date: 1970-03-18
Filing date: 1971-03-16
Publication date: 1971-09-30
Also published as: AT306616B; SE374345B; NO129461B; CH560654A5; FR2084749A5

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD 21 12464 DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER

DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLOPSCH Dipl. -Ing.Selting KDLN 1, DEICHMANNHAUS

I5.3.I97I Sch/Se

Oy Tampella Ab, Tampere, Finnland

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von porösen Körnern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von porösen Körnern. Solche Körner können sehr vielseitig benutzt werden, entweder an und für sich oder in Verbindung mit anderen Materien. Als ein wichtiges Beispiel kann das Baugewerbe erwähnt werden, wo Material mit gutem Wärmeisolationsvermögen gebrauoht wird. Eine derartige vorteilhafte Eigenschaft haben z.B. Schaumkunststoffe, aber ihre schlechte Wärmebestandigkeit und schlechte Feuersicherheit sind als ein bedeutender Nachteil geblieben.

Man hat versucht, die Emulgiertechnik außer Kunststoffen auch auf andere Materien anzuwenden, um poröses Material zustandezubringen. So hat man z.B. die Möglichkeiten untersucht, Wasserglas zu emulgieren. Das Wasserglas oder Natriumsilikat Na₂OSiO₂H₂O besteht aus Natriumoxid Na₂O und Silikat SiO₂ und Wasser H₂O. Duron die Variation ihrer Verhältnisse und mittels Zusätze bekommt man verschiedene Eigenschaften für das Endprodukt. Ein gemeinsamer Umstand ist, daß der Wasserglasschaum eine gute WÄrmebeständigkeit und FeuersloherWLt aufweist.

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Der Zweck der Erfindung ist, auf Grund des oben kurz beschriebenen Standes der Technik ein Material mit gutem Wärmeisolationsvermögen, guter Wärmebeständigkeit und Feuersicherheit zu schaffen. Als eine überraschende Lösung zeigt sich das erfindungsgemäße Verfahren, wo man poröse Körner aus Wasserglas, durch Erhitzung desselben herstellt. Jede Erhitzungsmethode führt aber nicht zu dem erwünschten Resultat, wie aus der Publikation "Foamed Sodium Silicate", 2nd SPI International Cellular Plastics Conference hervorgeht. Die darin erwähnten Probleme werden in der vorliegenden Erfindung mittels der Erkenntnis gelöst, daß man aus Wasserglas zuerst Tropfen

$ bildet, die dann erhitzt werden, um das Wasser zu verdunsten und die Tropfen zu porösen Körnern zu verwandeln. Die Tropfen bedeuten in diesem Zusammenhang willkürlich geformte, kleine flüssige oder gallertartige Stücke unabhängig davon, auf welche Welse das Wasserglasmaterial in solche Stücken eingeteilt 1st. Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung führt man das Wasserglas durch kleine Löcher, wobei Tropfen entstehen. Die erfindungsgemäße Erhitzung des in Tropfenform vorkommenden Wasserglases bringt bedeutende Vorteile im Vergleich zu der Erhitzung des in einer anderen Form vorkommenden Materials. So, z.B. in größeren

^ Stücken, gelingt das Verdunsten des Wassers nur von der Fläche des Wasserglases* wonach diese äußere Schicht sich verhärtet und das Verdunsten des Wassers wegen äußeren Wärme von übrigen Teilen des Stückes hindert. Falls man den Nachteil durch innere Wärme zu beheben versucht, was mittels Mikrowellenenergie möglieh wäre, wird das Verfahren unmäßig teuer im Vergleich zu der Billigkeit des Wasserglases und dem für das Endprodukt beabsichtigten Preis. Andererseits ergibt die Einteilung des Wasserglases von der Erhitzung zu Nebel oder kleinen Flocken eine im Vergleich zu dem praktischen Zweck des Endproduktes zu feinkörnige und staubartige Struktur, die nicht mehr

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so gute Wärmeisolationseigenschaften aufweist als die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen porösen Wasserglaskörner.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhitzt man Wasserglastropfen in einem heißen Gas, das die Tropfen umschließt. Der Vorteil besteht aus der effektiven Verdunstung des Wassers und dem Getrenntbleiben der Tropfen, bis sie hart genug geworden sind. Am Anfang der Erhitzungsphase liegt jedoch die Gefahr, daß die Tropfen aneinander haften. Dieses Anhaften ist sehr schädlich, da das Wasserglas ein gutes Klebvermögen hat und die Trennung der Tropfen nachträglich darum schwierig wird. Um diesen Nachteil zu verhindern und um die am Anfang der Erhitzung vorkommenden Anklebungsgefahr abzuwehren, sieht man in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Tropfenbildung zuerst auf einer heißen Fläche vor, wo die Tropfen, nachdem sie eine Weile voneinander getrennt gewesen sind, so hart werden, daß. wenn man sie von der heißen Fläche für eine Nacherhitzung im Gas losmacht, die Gefahr des Anklebens der Tropfen nicht mehr vorkommt. Der Aufenthalt der Tropfen auf der heißen Fläche und die Temperatur dieser Fläche werden kontrolliert und zu zweckmäßigen Werten eingestellt, zwischen ca. 200 - 400°C und zwischen ca. I8o - 5 Sekunden, je nach der Zusammensetzung des Wasserglases, dem Trockensubstanzgehalt und der Größe der Tropfen. Auch die Qualität der heißen Fläche ist offensichtlich nicht ohne Bedeutung.

In vorbereitenden Versuohen hat man eine aus rostfreiem Stahl gemachte polierte Platte gebraucht. Die Temperatur der Fläche variierte zwischen 350 und 45O⁰C. Bei diesen Versuchen kam man zu dem Ergebnis, daß bei der Temperatur von ca. 400°C der passende Aufenthalt für ca. 24 Sekunden ist. Dann sind die Wasserglastropfen dermassen getrocknet

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aufgelockert, geschwollen und hart geworden, daß sie vorteilhaft im Gasstrom nacherhitzt werden können. Andererseits können die Tropfen noch leicht von der heißen Fläche gelöst werden.

Wenn man den Aufenthalt der Trppfen auf der heißen Fläche zu verkürzen versuchte, erschien'die Anwendung der Teflon-belegten Fläche als eine überraschende Lösung. Bei der Temperatur von 325⁰C könnte man den Aufenthalt bis zu 15 Sekunden verkürzen. Die Tropfen kamen leicht von der heißen Fläche los und die Gefahr des Anhaftens der Tropfen bei der Nacherhitzung existierte nicht mehr.

Die dritte Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich nach der Tropfenbildung des Wasserglases und der auf der Fläche durchgeführten Erhitzung, ist das Losmachen der Wasserglastropfen von der heißen Fläche. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geschieht es durch Wenden der heißen Fläche nach unten. Das Losmachen wird dann durch Schwerkraft ausgeführt. Es ist auch möglich, eine schiefe Ebene, Erschüttern und mechanisches Losmachen oder Losmachen durch Schaben mittels Gasstrom zu benutzen. Auch verschiedene Kombinationen solcher Losmachemethoden sind möglich. Diese Umstände werden später zusammen mit der Beschreibung einiger Auscführungsformen der der Erfindung zuhörenden Vorrichtung behandelt.

Die vierte Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Nacherhitzung, bis die erwünschte Wassermenge verdunstet ist. Bei dieser Nacherhitzung dauert das Trocknen, die Auflockerung, das Schwellen und die Verhärtung der Wasserglastropfen fort. Bei den vorbereitenden Versuchen wurden die Wasserglas tropf en von der Höhe von 3,7 Meter nach unten gegen ,den Heißluftstrom fallen gelassen. Die Temperatur wechselte zwischen 500 und 900⁰C. Bei dieser Nacherhitzung schwellen die Strukturen zu ihrem endgültigen

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Volumen und erhalten ausreichende Festigkeit, so daß sie von dem Erhitzungsgas eingesammelt werden können.

Die Korngröße variierte zwischen 5 und 10 mm und das Volumgewicht zwischen 50 und 100 kg/m.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachstehend mit Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Vorrichtung schematisch im Vertikalschnitt.

Fig. 2 zeigt einen partiellen Schnitt aus Fig. 1 längs der Linie H-II.

Fig. 3-5 zeigen schematisch verschiedene AusfUhrungsformen der heißen Fläche, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt wird.

Das Wasserglas wird in die Vorrichtung durch das Rohr 1 gebracht, das vor übermäßiger Wärme derart geschützt wird, daß es in eine von der eigentlichen Vorrichtung wärmeisolierten Kammer 2 angeordnet ist. Der untere Teil des Rohres 1 weist Löcher auf, aus welchen das Wasserglas auf eine zylindrische Trommel 3 herab tropft, die gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Pfeil rotiert. Der Zylinder wird mittels Gas, einer Flüssigkeit oder elektrisch erhitzt. Die äußere Fläche des Zylinders 3 weist einen Teflonüberzug 4 auf, auf welchen das Wasserglas als Tropfen 5 aus dem Rohr 1 durch die im Rohr befindlichen Löcher kommt. Der Überzug 4 hat die Eigenschaft, daß er die Trommel 3 vor der von dem Wasserglas sonst verursachten Korrosion schützt. Dazu erträgt die Fläche 4 die Hitze gut und vor allem erleichtert sie das Losmachen der Tropfen 5 durch Schwerkraft von der Trommel, wenn der Tropfen unter die TrommelflHche gekommen ist. Das Lösen der Tropfen 5 von der Trommel 3 ist in dem in Fig. 1 gezeigten Fall durch einen Luftstrahl gesichert, der aus einem Mundstück 6 kommt, sowie

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durch einen mechanischen Schaber 7. Die von der als heiße Fläche dienende Trommel 3* 4 los gewordenen Wasserglastropfen 5 sind preliminar getrocknet, geschwollen, aufgelockert und verhärtet worden, und sie fallen jetzt in eine unten liegende Nacherhitzungskammer 8-, wo die Verwandlung in porösen Körnern 9 geschieht, die in einem Zyklon 10 von -dem Gasstrom derart abgetrennt werden, daß die Körner von dem unteren Teil des Zyklones mittels eines Zellenrades entfernt werden, während die Gase von dem Zyklon 10 durch ein in dessen oberen Teil befindliches zentrales Rohr weggeführt werden. Diese Ereignisse sind in Fig. 1 mit Pfeilen veranschaulicht. In die Nacherhitzungskammer 8 wird Erhitzungsgas mit genügend großer Geschwindigkeit gebracht.

Die vorbereitenden Versuche haben gezeigt, daß die in der Kammer 8 ausgeführte Nacherhitzung der Wasserglaskörner eine große Wirkung auf das Volumgewicht und die Festigkeit der porösen Körner hat. Die aus dem Zyklon 10 durch das Rohr 12 abgehenden Gase können derart ausgenutzt werden, daß sie im Kreislauf geführt werden oder daß Wärme davon im Wärmeaustausch abgenommen wird.

Bei der Vorrichtung besteht die heiße Fläche in der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform aus einer Platte 13, die periodisch, l80° in der von dem Pfeil gezeigten Weise, entweder in dieselbe Richtung oder hin und her gewendet wird. Die Platte 13 steht also still, so lange wie die Tropfen 5 auf diese¹ Platte heiß werden sollen, wonach man die Platte um I8o° dreht, wobei die Wasserglastropfen 5 abfallen und die Fläche der oberen Seite neue Wasserglastropfen empfängt. Fig. 4 zeigt einen Fall, bei dem die heiße Fläche aus einer schiefen Platte 14 besteht, die an dem oberen Ende für eine kleine Drehbewegung gelagert und an dem unteren Ende zum Erschüttern angeordnet ist. Die

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Neigung der Fläche 14 zusymmen mit dem Erschüttern verschiebt die Wasserglastropfen 5 nach unten und zum Schluß weg von der heißen Fläche. Fig. 5 zeigt einen Fall, wo die heiße Fläche ein rotierender Riemen 15 ist.

Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Einrichtung einfach in Konstruktion und ermöglicht eine große Kapazität bei der Herstellung von porösen Körnern aus Wasserglas mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Wasserglas wird in Tropfenform erhitzt; zuerst auf einer heißen Fläche und dann frei fallend in einem heißen Gasstrom. Die wesentlichsten Teile der Vorrichtung sind also die Tropfenbildungsvorrichtung, die heiße Fläche und Vorrichtungen zum Losmachen von dieser heißen Fläche und die Kammer für Nacherhitzung. Ein weniger wesentlicher Teil der Eiirichtung ist der Abtrennungszyklon 10. In gewissen Fällen kann er weggelassen werden und die Abtrennung der Körner von Erhitzungsgasen kann in der Nacherhitzungskammer 8 durchgeführt werden. Die Konstruktion dieser Nacherhitzungskammer kann natürlich bedeutend von der in Fig. 1 schematisch gezeigten Konstruktion abweichen. Dieses betrifft besonders die Größe und Form der Kammer 8. Die Kammer braucht nicht notwendig vertikal zu sein, sondern sie kann auch mehr oder weniger horizontal sein. Was die konstruktiven Ausführungsformen der heißen Fläche betrifft, so sind die oben beschriebenen Konstruktionen nur Beispiele, auf welche die Erfindung nicht begrenzt ist. Dasselbe gilt auch für die Vorrichtungen, mit welchen die Wasserglastropfen von der heißen Fläche losgemacht werden. Auch die Abtrennung zu Tropfen kann auf viele verschiedne Weisen geschehen. Es ist gezeigt worden, wie das Wasserglas in Tropfen geteilt wird, dadurch daß es durch Löcher fallen gelassen wird, wobei getrennte Tropfen entstehen. Der Ausdruck "Tropfen" soll in diesem Zusammenhang in weiter Bedeutung verstanden werden. Es ist wesentlich, daß aus dem Wasserglas in dieser Phase des Verfahrens Teilchen getrennt werden und diese werden getrennt gehalten, bis die

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Tropfen, wegen der vorbereitenden Erhitzung, an ihren Flächen so hart geworden sind, daß dabei keine Gefahr der Anklebung derselbenjbesteht. In diesem Fall muß das Schwellen der Tropfen berücksichtigt werden, was in der Praxis bedeutet, daß die Tropfen auf der heißen Fläche mit genügendem Abstand voneinander angeordnet werden sollen. Es hängt von der genaueren Zusammensetzung des Wasserglases, evtl. Zusätzen und dem Trockensubtanzgehalt ab, welche Tropfenbildungsmethode gewählt wird. Es ist gemeinsam und wesentlich, daß das Wasserglas einerseits nicht in großen Stücken und andererseits auch nicht als sehr feingeteilter Nebel erhitzt wird. Es bedeutet jedoch keinen Nachteil, wenn die Tropfen, auf der heißen Fläche einigermassen abgeplattet werden. Dieses kann beeinflußt werden, dadurch, daß man die Geschwindigkeit des Fließens des Wasserglases auf der heißen Fläche z.B. so einstellt, daß die in Fig. 1 gezeigte Trommel J> eine Strecke sehr langsam rotiert und dann, um die auf die Fläche geflossene Menge abzutrennen, um die Abtrennungsstrecke sich sehr schnell dreht. Alle diese mit dem Verfahren und der Einrichtung verbundenen Ausführungsformen gehören zu der Erfindung im Rahmen der folgenden Patentansprüche.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von porösen Körnern, dadurch gekennzeichnet, daß man Wasserglas auf eine heiße Fläche tropfen läßt, davon nach einer Weile los macht und die im Gas nacherhitzt, bis die erwünschte Wassermenge verdunstet ist, wonach man die porös gewordenen und geschwollenen Körner vom Erhitzungsgas sammelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Wasserglas in Tropfen auf die heiße Fläche tröpfelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die heiße,Fläche das Wasserglas berühren läßt und dann davon Tropfen lösen läßt»
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Losmachen der Tropfen von der heißen Fläche durch Wenden der Fläche nach unten und/oder durch Schütteln und/oder Schaben ausführt.
5. Verfahren nach Anspruch 1,2, J> oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Losmachen der Tropfen von der heißen Fläche ein Gasstrahl gebraucht wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Aufenthalt der Tropfen auf der heißen Fläche kontrolliert und auf einen passenden Wert zwischen den Temperaturen von ca. 200 - 400°C und im Intervall von ca. I8o - 5 Sekunden einstellt, ,1e nach der Zusammensetzung des Wasserglases, dem Trockensubstanzgehalt und der Größe der Tropfen.

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7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Nacherhitzung die Tropfen in einem steigenden Heißluftstrom frei fallen läßt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des steigenden Heißluftstromes überwacht und auf einen passenden Wert zwischen den Temperaturgrenzen von ca. 400 -■ 1000⁰C und im Geschwindigkeitsintervall von ca. 3-30 Meter/Sek. einstellt, je nach der erwünschten Wasserausströmungsmenge und -geschwindigkeit.
9- Vorrichtung zur. Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

I, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vorrichtung zur Teilung des Wasserglases in gesonderten Teilchen oder Tropfen, eine für Erhitzung und Heißhalten angeordnete Fläche, Vorrichtungen zum Losmachen der Wasserglastropfen von dieser Fläche sowie einen Nacherhitzungsraum enthält, wo das Trocknen₅ die Auflockerung, das Schwellen und Hartwerden der Wasserglastropfen, getrennt voneinander, in einem Gasstrom fortbesteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Tropfenbildung des Wasserglases ein Rohr (1) enthält, dessen unterer Teil Löcher aufweist, woraus das Wasserglas in Tropfen nach unten fließt.
II. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das Rohr (1) vor zu hoher Wärme derart schützt, daß man es in eine von der übrigen Vorrichtung wärmeisolierten Kammer (2) anordnet.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Fläche eine mit gleichmäßiger oder veränderlicher Geschwidigkeit rotierende Trommel (3) ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (3) mit einem Teflon-Überzug (4) versehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9» 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Fläche aus einer Platte (Ij5) besteht, die um l80° drehend angeordnet ist (Fig. 3)·
15. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Fläche eine an dem oberen Ende gelagerte schiefe Platte (14) ist, die an dem unteren Ende schlittelbar angeordnet ist (Fig. 4)
16. Vorrichtung nach Anspruch 9» 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Fläche ein rotierender Riemen ist (15, Fig. 5).
17.Vorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Fläche einen Teflon-Überzug trägt.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der oben erwähnten Ansprüche 9-17, gekennzeichnet durch einen Luftstrahl oder einen mechanischen Schaber (6, 7) für das Losmachen der Wasserglastropfen von der heißen Fläche.
19· Vorrichtung nach einem oder mehreren der oben erwähnten Ansprüche 9-18, gekennzeichntt durch eine nach der heißen Fläche angeordnete Nacherhitzungskammer (8).
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der oben erwähnten Ansprüche 9-19. gekennzeichnet durch einen Zyklon (10) für die Abtrennung der porösen Körner von dem Erhitzungsgas.

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