-
Einchtungen zur kontinuierlichen Aufbereitung von Polymeren Die Erfindung
betrifft Einrichtungen zur kontinuierlichen Aufbereitung von Polymeren, z.B. von
Polyester, um eine hohe Viskosität für die weitere Verarbeitung zu synthetischen
Fäden zu erhalten.
-
Im USH-Patent 3 528 782 wurde ein Reaktor vorgeschlagen, der im wesentlichen
aus einer um eine waagerechte Achse drehbaren Trommel besteht. Die Polymermasse
wird in das Innere der rotierenden Trommel eingeführt. Durch Stauplatten wird ein
in der Innenwand der Trommel rotierender £ilm von vorbestimmbarer Dicke erzeugt.
-
Urtsfest angebrachte und mit einem Winkel gegenüber der Achsenrichtung
angestellte Leitplatten streifen die rotierenden Filmschichten ab und fördern sie
in den durch sie gebildeten schrägen Kanälen - wie in einer Schnecke - in axialer
Wichtung weiter.
-
Bei dieser Vorrichtung ist jedoch die Lagerung der Trommel schwierig
und die Beheizung der Produktmasse insofern unbefriedigend, als der Wärmeübergang
von Gehäuse-Heizmantel an die Trommel über einen - durch die Lagerrollen bedingten
- großen leg und über ein Vakuum erfolgen muß. Die vorgeschlagene Beheizung durch
die Leitplatten erfordert doppelwandige und daher teure und störanfällige Konstruktionen.
-
Zeine weitere Vorrichtung gem. USA-Patent br. 3 499 873 betrifft einen
Reaktor, dessen auf einer horizonzalen stelle befestigten Ringscheiben bei einer
Xotation aus dem durch den Gehäusemantel beheizten bumpf freifallende Filme bilden.
-
Die fest mit dem Gehäuse verbundenen Kammmerwände, die die einzelnen
Hadscheiben voneinander trennen und die im Sumpf mit Öffnungen zum axialen Durchtritt
der Flüssigkeit versehen sind, bilden jedoch fiir die Polymerströmung tote Ecken
mit den bekannten Nachteilen. Durch Freilassung eines passend dimensionierten größeren
Spaltes zwischen Gehäuse und Kammerwand, der auf dem ganzen Umfang der Kammervfand
vom Produkt durchströmt wird, ließe sich dieser Nachteil beheben.
-
Durch das Fehlen von mechanischen Vorrichtungen zur Schichtbegrenzung
und
Filmabstreifung ist die Sicke des aufsteigenden und frei fallenden Filmes nicht
definiert und die ständige Erneuerung des filmes nicht gewährleistet. Da eine Zwangsförderung
des Produktes nicht vorhanden-ist, ist eine unabhängige regelung von Durchsatz und
Verweilzeit in weiten Grenzen nicht möglich.
-
Die hier beschriebenen Einrichtungen beheben diese Mängel. Die gemeinsamen
Merkmale der vorgeschlagenen Keaktoren sind: 1. Zwangsförderung der Reaktionsmasse
durch Anwendung des Prinzips der Schneckenförderung. Die zwangsförderung erlaubt,
den Durchsatz weitgehend durch die Drehzahl des Rotors, die Verweilzeit weitgehend
durch den Füllungsgrad und in geringem Grade auch durch die Drehzahl zu regeln.
-
2. behichtbegrenzer, die die Dicke des im Vakuumraum reagierenden
und ausgasenden Flüssigkeitsfilmes begrenzen, definieren und daher eine berechnung
ihrer Verweilzeit ermöglichen.
-
3. Im Sumpf angeordnete Abstreifer, die die Filmschichten ablösen,
in den Sumpf zurückführen und eine ständige erneuerung der reagierenden Polymerfilme
gewährleisten.
-
Diese Grundsätze sind verwirklicht in den hier vorgeschlagenen zinrichtungen,
die a) einen Trommelreaktor und b) einen Mehrecheibenreaktor mit Vollscheiben betreffen.
-
Die Figuren 1 bis 14 zeigen diese Erfindungen in beispielhaften Ausführungsformen.
-
Die Figuren 1 - 5 stellen Vertikalschnitt, Achsnormalschnitte und
Horizontalschnitt eines Trommelreaktors mit Zwangsförderung dar.
-
Figuren 6, 7 und 8 geben Vertikalschnitt, Achsnormalschnitt und Horizontalschnitt
eines Mehrscheibenreaktors mit Zwangsförderung wieder. Figuren 9, 10 und 11 entsprechen
Vertikalschnitt, Achsnormalschnitt und Horizontalschnitt einer zweiten Ausführungsform
eines Mehrscheibenreaktors. Figuren 12, 13, 14 sind Vertikalschnitt, Achsnormalschnitt
und Horizontalschnitt einer dritten Ausführungsform eines Mehrscheibenreaktors.
-
Die Figuren 1,2, 3 zeigen die verschiedenen Schnitte durch einen
Trommelreaktor mit Zwangsförderung, Schichtbegrenzer und Abstreiufer. Das zylindrische
Reaktorgehäuse 1 ist zur Aufnahme des Heizmediums für die Produktbeheizung doppelwandig
ausgeführt und enthält zum Ein- und Austritt des Heizmediums die Stutzen 2 und 2',
zum Ein- und Austritt der Produkt'masse die Stutzen 3 und 3' und zum Austritt der
Produktmasse den Stutzen 4.
-
innerhalb des evakuierten Reactorgehäuses 1 rotiert die zylindrische
Trommel 5, die auf einer waagerecht gelagerten Welle 6 befestigt ist. ltetztere
wird über vakuumdicht abschließende Stopfbuchsen 7 aus dem Gehäuse 1 herausgeführt,
außerhalb zweifach gelagert und über ein regelbares Getriebe durch einen Motor angetrieben.
-
im unteren Teil des Heaktorraumes sind mehrere ortsfeste Ileitplatten
8 schräg zur Achsenrichtung angeordnet, die den Sumpfraum in mehrere schräge Kanäle
einteilen. Diese Leitplatten haben ein kleines Spiel gegenüber dem Trommelzylinder
und ein größeres Spiel 5 gegenüber der Heaktorwandung, so daß tote Eckräume vermieden
sind,und bei zu hoher Drehzahl ein Rückfluß des Polymers ermöglicht wird. Die Höhe
der Leitplatten ist so bemessen, daß sie das Niveau des Sumpfes, der etwa 20 - 50%
des frein Reaktorraumes ausmacht, nur wenig überragen. Die Verbindung der Leitplatten
mit dem Gehäuse erfolgt durch starke - hier nicht gezeichnete - Ankerbolzen, oder
zwecks Vermeidung von toten Sicken durch eine außerhalb des Sumpfes angebrachte
Halterung ( z.BO efestigung der den Stumpf überragenden Teile mit dem Gehäuse).
(regen Schwingungen sind sie durch axiale Distanzbolzen gesichert.
-
Die Seitenflächen der schrägen Leitkanäle, die hier durch ebene Platten
8 dargestellt sind, können auch - hier nicht gezeichnete-Schraubenflächen sein,
deren Achse mit der 'L'rommelachse zusammenfällt und die (wegen des Fehlens der
oberen Hälfte) Halbwendeln sind.
-
Der Vorgang der Zwangsförderung erfolgt also in der Weise, daß im
auftauchenden Teil der rotierenden Trommel ein Flüssigkeitsfilm mitgenommen,-und
auf die andere Trommelseite getragen wird, und dort in den schrägen Leitkanal gelanp-t,
in dem die ganze Flüssigmasse
wie bei einer Schnecke wieder auf
die erste Trommelseite gefördert wird. Durch Verwendung einer größeren Anzahl von
Seite blechen läßt sich die Scherung und Vermischung in weiten Grenzen erhöhen und
dosieren.
-
Der Schichtbegrenzer 9 besteht aus einer axial durchgehenden, über
dem Flüssigkeitsspiegel ortsfest angeordneten Stange, die durch den Spalt gegenüber
der Trommelfläche die Filmdicke definiert und dadurch eine Berechnung der Verweil-
und Reaktionszeit möglich macht. Die Begrenzerstange kann parallel oder mit einer
geringen Winkelneigung gegen die Trommelachse eingestellt werden, je nachdem, ob
eine konstante oder eine längs der Achse variable Filmdicke erwünscht ist.
-
Die schrägen Leitwände im Sumpf bewirken eine Abstreifung der Filmschicht
von der Trommel, ihre Rückführung in den Sumpf und bieten bei genügender Anzahl
Gewähr für eine ständige Erneuerung der in den Vakuumraum getragenen Polymerfilme.
Diese Wirkung kann auch durch eine besonders vorgesehene Abstreifvorrichtung 10
erreicht bzw. verstärkt werden. Sie besteht aus einer axial durchgehenden Stange,
die wenig unterhalb des Flüssigkeitsspiegels mit kleinem Spalt gegen die Trommel
montiert und zur Vermeidung von Tot ecken zweckmäßig außerhalb des Sumpfes an der
Gehäusewand befestigt ist.
-
in Fig.4 wird gezeigt, daß durch Absenkung des Flüssigkeitsspiegels
das uberflächen-Volumen-verhaltnis drastisch vergrößert und damit die Verweil- und
Keaktionszeiten in weiten Grenzen variiert werden können.
-
in Fig. 5 ist die Trommelachse exzentrisch unterhalb der Gehäuseachse
angeordnet. Die schrägen Schneckenkanäle, die von den Leitwänden 8 gebildet werden,
erhalten dadurch kleinere Gangtiefen, so daß gegenüber der konzentrischen Achsenanordnung
- wie bei Schnecken - eine intensivere zwangsförderung erreicht wird.
-
Die figuren 6, 7, 8 zeigen einen Mehrscheibenreaktor mit Zwangsförderung,
Schichtbegrenzer und Abstreifer.
-
Wie in den Figuren 1, 2, 3 für den Trommelreaktor ist das zylindrische
doppelwandige gehäuse mit 1, die Lin- und ivustrittsstutzen flir Heizmedium, Produktflüssigkeit
und Gase sind mit .', ;"
bzw. 3, 3' und 4 bezeichnet. Auf der horizontal
gelagerten und durch einen Motor angetriebenen Welle 6 sind mehrere vollwandige
Hadscheiben 11 befestigt, die mit einem Spiel 5 gegenüber dem Keaktorgehäuse umlaufen.
auf der beite des Polymersumpfes, aus der die Kadscheiben austauchen, sind zwischen
je zwei Scheiben ortsfeste Leitplatten 12 schräg zur Achse angeordnet, die dem -
ca. 20 - 50% des Seaktorraumes ausfüllenden - bumpf nur wenig überragen und mit
einem Spiel S1< Sr gegenüber dem Gehäuse befestigt sind. Die i?roduktflüssigkeit,
die sich in der radeintauchenden Seite a1, a2 des Polymersumpfes befindet, wird
durch das rotierende Kad als treibende Schneckenkante auf die andere Sumpfseite
b1 und wegen der Keilwirkung der schräggestellten Leitplatten 12 sowie wegen S1<Sr
auch auf die andere Radseite b2 getrieben. Die Zwangsförderung beruht also auf der
Schrägstellung.
-
der Leitplatten (Keilwirkung) sowie auf dem Umstand9 daß der Radspalt
Sr größer als der Plattenspalt 1 ist (und dem bekannten Gesetz, daß die Durchflußmengen
proportional 93 sind).
-
Anstelle der ebenen Leitplatte zwischen zwei Radscheiben kann auch
eine - hier nicht gezeichnete - Schraubenfläche angeordnet sein, deren Achse mit
der Wellenachse zusammenfällt, deren erste Erzeugende im Halbraum des Sumpfes zwischen
zwei Scheiben vertikal verläuft und einen-engen Spalt mit der Scheibe bildet, deren
letzte Erzeugende vor der folgenden Scheibe ungefähr waagerecht verläuft und die
also wegen der Erzeugendendrehung um 900 eine Viertelwendel darstellt.
-
Zur Erzeugung von Scherung und Vermischung sind auf der fadeintauchenden
Seite des Polymersumpfes Scherflächen 13 ortsfest angebracht mit relativ großem
Spiel gegen die Gehäusewand (zur Vermeidung toter Ecken). Zur Erhöhung der Mischwirkung
können diese Scherflächen mit Durchbrüchen (Löchern) versehen sein.
-
Über der radaustauchenden Seite des Polymersumpfes sind am Gehäuse
Schichtbegrenzer 14 befestigt, die mit beiden Seiten jedes Rades einen relativ kleinen
Spalt bilden, dadurch die Pilmdicken begrenzen und in vorher bestimmbarer Weise
definieren.
-
Unterhalh-ooer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels sind auf der radeintauchenden
Sumpfseite Abstreifer 15 ortefest am Gehäuse
angebracht, die das
Rad gabelförmig mit kleinem Spalt umfassen, die eingetragene Filmsch£cht ablösen,
in den Sumpf zurückführen und Gewähr für ständige Erneuerung der reagierenden Pilmschicht
bieten. Die Abstreifun und Vermischung des filmes kann auch ohne besondere Abstreifvorrichtungen
15 dadurch verwirklicht werden,daß die Leitplatten 12 gegen die umlaufenden Radscheiben
angeordnet sind.
-
Die Piguren 9, 10, 11 zeigen eine zweite Ausführung des Mehrscheibenreaktors
mit Zwangsförderung. Wie in den früheren Figurein sind das mantelbeheizte Gehäuse
mit 1, die Ein- und Austrittsstutzen für Heizmedium, Produkt und Reaktionsgase mit
2, 2' bzw.
-
3; 3, und 4, die horizontale Welle mit Stopfbuchsen und Radscheiben
mit 6 bzw. 7 und 11 bezeichnet.
-
In der radaustauchenden Seite des Sumpfraumes sind zwischen je 2 Scheiben
schräg zur Wellenachse Leitplatten 16 mit dem Spiel Sb gegen das Gehäuse und in
der radeintauchenden Seite des Sumpfraumes ebenfalls schräge - jedoch entgegengesetzt
gerichtete -Leitplatten 17 mit dem Spiel 5a gegen das Gehäuse ortsfest angebracht.
Diese Leitplatten, die zugleich als Scherflächen eine Vermischung bewirken und mit
Durchbrüchen versehen sein können, teilen den Polymersumpf zwischen 2 Radscheiben
in 4 keilartige Räume a3, a4, b3, b4. Sie iiberragen nur wenig den Sumpf und sind
mit - hier nicht gezeichneten - Ankerbolzen im Sumpf oder besser mit einer Halterung
oberhalb des Sumpfes ans Gehäuse befestigt, und mit - hier ebenfalls nicht gezeichneten
- axialen Distanzbolzen gegen Flattern gesichert.
-
Die relativ großen Spiele gegen das Gehäuse von Radscheibe 5r und
Leitplatten 5a und Sb, durch die tote Ecken vermieden sind und die bei zu hoher
Drehzahl Rückströmungen zulassen, sind so bemessen, daß 5a> Sr> Sb ist.
-
Zum Verständnis der Zwangsförderung ist die Kenntnis notwendig, daß
die Durchflußmengen sehr stark von den Spaltweiten S abhängen ( proportional 83),
dai3 also z.B. durch die doppelte Spaltweite unter sonst gleichen Umständen die
achtfache Menge strömt.
-
Die Flüssigkeit des Sumpfraumes a3 wird nun unter der reibenden
Zähigkeitskraft
der rotierenden Radscheibe wegen der Keilwirkung der Leitplatte 17 und der Verschiedenheit
der Spiele Sr und 5a vorwiegend in den Keilraum a4 getrieben und dort durch die
Treibkraft der folgenden Scheibe in den Sumpfraum b3 und - wegen Sr>Sb und der
Eeilwirkung der Leitplatte 16 - in den Nachbarraum b4 der anderen Scheibenseite
geförderte Anstelle der beiden ebenen Beitplatten 16 und 17 können auch die - oben
beschriebenen und hier nicht- gezeichneten - Schraubenflächen, d.h. Viertelwendeln,
angeordnet sein Die Schichtbegrenzer 14, die über dem Spiegel des radaustauchenden
Teiles des Sumpfes angebracht sind, erzeugen wie in den vorstehend beschriebenen
Vorrichtungen eine definierte Filmschicht dicke. Als Abstreifer zur Ablösung der
von der Radscheibb in den anderen Sumpfteil getragenen Filmschícht kann wieder die
- hier nicht gezeichnete - gabelförmige Vorrichtung 15 in Figur 8 dienen. Zusätzlich
oder auch allein kann die Abstreifung bewirkt werden durch einen engen Spalt zwischen
Radecheibe und der vertikalen Stoßkante der beiden Leitplatten 16 und 17.
-
In den Figuren 12, 13, 14 ist eine dritte Ausführungsform eines Mehrscheibenreaktors
mit Zwangsförderung dargestellt. Wie oben sind wieder bezeichnet das mantelbeheizte
Gehäuse mit 1, die Ein- und Austrittsstutzen von Heizmedium9 Flüssigkeit und Gasen
mit 2, 2' bzw. 3, 3' und 4, Welle, Stopfbuchsen und Radecheiben mit 6 bzwG 7 und
11.
-
Im Sumpf sind mehrere unter einem Winkel gegen die Wellenachse geneigte
und ihn nur wenig überzagende Beitplatten 18 ortsfest angebracht, die den Sumpf
in ebenso viele schräge Kanäle -einteilen, wie Radscheiben vorhanden sind. Diese
Radscheiben haben senkrechte Schlitze, durch die die Umlaufscheiben von einer Sumpfseite
in die andere durchlaufen können und deren Kanten auf der radeintauchenden Sumpfseite
bei genügend kleinem Spiel gegen die Radscheibe als Abstreifer dienen können. Ihre
Befestigung mit dem Gehäuse erfolgt entweder durch - hier nicht gezeichnete -Ankerbolzen
im Sumpf oder durch eine Konstruktion außerhalb des Sumpfes. Die Leitplatten und
Radscheiben haben verhältnismäßig große Spiele S1 bzw. Sr#S1, so dasß Toträume vermieden
sind und bei zu hoher Drehzahl und entsprechend zu hoher Zwangsfördermenge ein küekfluß
mit zusätzlicher Vermischung möglich ist.
-
Die Zwangsförderung erfolgt dann in der Weise, daß die Flesigkeit
im Keilraum a5 unter der Ziehkraft der rotierenden Scheibe wegen der Keilwirkung
der schrägen Leitplatte und wegen 5r #S1 auf die andere Radseite des Sumpfraumes
a6 getrieben wird. Die andere Radseite treibt die Flüssigkeit des Raumes a6 in den
anderen Sumpfseitenraum b5 und von dort wegen Sr# S1 teilweiee auch in den Keilraum
b6. lon den REumen b5 und b6 wird die Flüssigkeit durch die Radscheibe in Form eines
Filmes nach der anderen Sumpfseite in den folgenden Leitkanal getragen.
-
Anstelle der ebenen, geschlitzten Leitplatte 18 kann auch eine mit
der Welle koaxiale Schraubenfläche aus Blech angeordnet sein, die wegen der Verdrehung
der Erzeugenden um 1800 eine Halbwendel darstellt und im Bereich der vertikalen
Erzeugenden zum Durchlauf der Radscheibe geschlitzt ist.
-
Zwischen je 2 Leitplatten können ihnen parallele Scherbleche 19 mit
großem Spiel gegen das Gehäuse ortsfest angebracht werden.
-
Sie erzeugen eine Scherung und zusätzliche Vermischung der Leitplattenströmung
, die durch Löcher in den Scherflächen oder eine geringe Winkelstellung gegenüber
den Leitplatten noch verstärkt werden kann.
-
Auf der radaustauchenden Seite sind über dem Sumpf die ortsfesten
Schichtbegrenzer 14 angebracht, durch deren Spalt gegenüberader umlaufenden Scheibe
die aufsteigende Filmschicht genau bemessen und definiert werden kann.
-
Unterhalb des Sumpfspiegels können auf der radeintauchenden Seite
die - hier nicht gezeichneten - gabelförmigen Abstreifer 15 in Figur 8 ortsfest
montiert werden, die die Filmechichten vom Rad ablösen, in den Sumpf zurückführen
und dadurch bewirken, daß immer neue i'ilmschichten über den Vakuumraum getragen
werden.
-
Wie bereits erwähnt wurde, können anstelle dieser Abstreifer 15 auch
die senkrechten Schlitzkanten der Leitplatten 18 diese Schichtabstreifung besorgen.
-
"Patentansprfiche"