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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Stoffgemischen
bzw. Lösungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur kontinuierlichen Herstellung von Stoffgemischen bzw.
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Lösungen aus flüssigen Stoffen mit bis zu 20 Gewichtsprozent Anteilen
an festen Stoffen und Füllmaterialien, wobei die Komponenten in einem, mit einem
rotierenden Mischwerkzeug versehenen Gehäuse, einem Mischeffekt unterworfen werden.
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Es ist bekannt, Stoffgemische unter Verwendung einer Mischtrommel
herzustellen, der die Kunststoff-Rohmaterialien zusammen mit Farbstoffen, Füllstoffen,
Stabilisatoren-und Gleitmittel aufgegeben werden. Dabei erfolgt die Mischung und
Gelierung der aufgegebenen Stoffe durch die beim Betrieb der Mischtrommel entstehenden
Reibungswärme. Die Reibungswärme wird danach durch Drehzahlanpassung des Mischwerkzeuges
einreguliert.
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Gemäß der österreichischen Patentschrift 270 997 ist weiterhin eine
Vorrichtung zum kontinuierlichen Aufbereiten von Formmassen bekannt, die aus einem
horizontalen zylindrischen Behälter mit darin koaxial angeordneter Welle, auf welcher
Mischwerkzeuge befestigt sind, besteht. Die Mischwerkzeuge sind aus mehreren1 in
einer zur Drehachse geneigten Ebene und mit einer Anfasung versehenen, flügelförmigen
Schaufeln gebildet und führen bei der Drehung der Welle eine taumelscheibenartige
Bewegung aus, so daß die einzelnen Formmassenteilchen in ein horizontales Durchlaufsystem
eingebracht werden.
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Schließlich wird in der deutschen Patentschrift 2 118 280 eine Vorrichtung
zum Herstellen von Formmassen auf Basis von Bitumen
und thermoplastischen
Kunststoffen beschrieben, wobei in einem Gehäuse koaxial ein drehbares Mischwerkzeug
angeordnet ist. Das Werkzeug wird aus, zwischen den Gehäuseenden angeordneten und
von Wellenenden getragenen, längs des Gehäuses mit Abstand von dessen Achse verlaufenden
Leisten gebildet. Zwischen den Leisten können schrägstehende Scheiben oder Kreisringe
eingesetzt sein.
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Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen befriedigen jedoch beim
Herstellen von Stoffgemischen bzw Lösungen aus flUssigen Stoffen mit weniger als
20 Gewichtsprozent Anteilen an festen Stoffen nicht in jeder Hinsicht, da die verfahrenstechnischen
Funktionen wie gleichmäßiges Erwärmen, gleichmäßiges Mischen oder gleichmäßige mechanische
Beanspruchung der Massen nur bedingt erfüllt werden. Bei niedrigen Feststoffanteilen
bzw.
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hohem ueberschuß an flüssigen Mischungskomponenten bildet sich vor
den Scherelementen ein Flüssigkeitsstau mit einer starken Fließkomponente in Achsrichtung
aus, die nicht aufgeschmolzene, bzw. nicht gelöste Teile zum Austrag transportiert
und der Vermischung entzieht Ein Stau am Ende des Gehäuses, durch eine Stauscheibe
mit geringem Spalt oder durch ein Drosselventil im Austrag hervorgerufen, wirkt
sich ebenfalls ungünstig aus, da sich dann der freie Raum im Gehäuseinnern mit Produkt
füllt, das der Mischwirkung der Werkzeuge ebenfalls entzogen wird.
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Es wurde nun unter Umgehung vorstehend genannter Nachteile ein Verfahren
der eingangs bezeichneten Art zur kontinuierlichen Herstellung von Stoffgemischen
bzw. Lösungen gefunden, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Erwärmung der Feststoffkomponente und die Förderung durch das Gehäuse über die flüssigen
Stoffe erfolgt und daß die Vermischung bzw. Lösung bei Drucken von 2 bis 60 at und
bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der festen Stoffe vorgenommen wird.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen insbesondere
in der kurzen Verweilzeit der Komponenten im Gehäuse, dem daraus resultierenden
hohen Massedurchsatz sowie
in der sehr guten Homogenität der verarbeiteten
Medien.
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Das Verfahren eignet sich besonders zum Verarbeiten von Stoffgemischen
bzw. Lösungen aus flüssigen Stoffen und festen schmelzbaren und/oder nicht lösbaren
oder lösbaren Stoffen. Die Anteile der festen Stoffe sollen dabei 20 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Gesamtgewicht der Massen, nicht überschreiten.
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Unter Verarbeiten im Sinne der Erfindung werden charakteristische
Verfahrensschritte, wie Mischen, Homogenisieren, Rühren usw. verstanden. Auch Reaktionen,
z. B. zwischen Schmelzen und Flüssigkeiten usw¢, sind durchführbar.
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Die Flüssigkeiten können Newtonsche Flüssigkeiten, z. B. Wasser, Bitumen
oder Teere, organische Lösungsmittel, wie Toluol, Benzol, Tetrahydrofuran und dergleichen,
aber auch solche pumpfähigen Medien sein, deren Fließeigenschaften vom Newtonschen
Fließverhalten mehr oder weniger stark abweichen.
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Als feste Stoffe kommen insbesondere thermoplastische Kunststoffe
und Füllstoffe in Betracht. Geeignete Polymere sind beispielsweise Homo- und Copolymere
des ethylens, des Propylens oder Polymere des Vinylchlorids0 Ferner eignen sich
auch Polyisobutylen, Polyester und Polycarbonate. Füllstoffe sind bevorzugt solche
feinkörnigen oder faserförmigen Charakters wie Holzmehl, Ruß, Kieselgur, Kaolin,
Quarzmehl, Sand, Schiefermehl, Asbestfasern, Glasfasern und Steinkohle sowie Gummimehl,
Wollfilz, Jute oder auch Synthesefasern. Der Anteil dieser feinteiligen Füllstoffe
kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden und liegt im allgemeinen zwischen
etwa 5 bis 70 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Feststoffkomponente.
Zur Einfärbung der Stoffgemische bzw. Lösungen können auch Pigmente zugegeben werden.
Dafür genügen oft schon ganz geringe Anteile. Auch Stabilisatoren und'Weichmacher
lassen sich einarbeiten.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens, bestehend aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse mit Ein-
bzw. Auslaßöffnungen und einem in dem Gehäuse koaxial angeordneten drehbaren Mischwerkzeug,
das unterschiedlich gestaltete Abschnitte aufweist, die
erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet ist, daß im Anschluß an eine Einzugschnecke mindestens zwei,
längs des Gehäuses mit Abstand von dessen Achse verlaufende, an sich bekannte Scherelemente
und danach folgend mehrere, am Umfang des Mischwerkzeugs gleichmäßig verteilte Homogenisierelemente
angeordnet sind, wobei zwischen Scherelementen und Homogenisierelementen eine Stauscheibe
befestigt ist. Die Scherelemente können am Umfang in Drehrichtung eine konkave Anschrägung
aufweisen.
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Nach einem weiteren-Merkmal der Erfindung sind die Homogenisierelemente
pyramidenstumpfförmig ausgebildet und in mehreren Reihen gegeneinander versetzt
angeordnet.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines AusfUhrungsbeispiels
der Vorrichtung, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
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Es zeigt Figur 1 einen Längsschnitt, Figur 2 einen Querschnitt der
Vorrichtung in der Ebene I-I und Figur 3 einen Querschnitt in der Ebene II-II.
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Die Mischungskomponenten werden bei einem Druck von zweckmäßig 2 bis
60, vorteilhaft 2 bis 20 at und einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der
Feststoffkomponente, d. h. je nach Mischungsverhältnis bei 20 bis 4000C, möglichst
unter Sauerstoffausschluß in einem, im wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse (4)
erwärmt, geschmolzen und gemischt. Die festen Stoffe werden vorwiegend in Pulver-
oder Granulatform über einen Einfülitrichter (1) und eine kernprogressiv ausgeführte
Einzugschnecke (2) in das Gehäuse (4) gegeben. Die Zufuhr der flüssigen Stoffe erfolgt
über eine Dosierpumpe (in der Zeichnung nicht dargestellt) durch die am Gehäuseumfang
radial angeordnete ¢ffnung (3). Bereits vorplastifizierte oder flüssige Stoffe mit
niedriger Viskosität können auch über die ffnung (12) in des Gehäuse ge£Urdert werden.
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Die Wärmeübertragung erfolgt über die bereits erwärmten flüssigen
Stoffe innerhalb des Gehäuses. Die Strömungsverhältnisse
sind so
festgelegt, daß jedes Volumenelement der Stoffgemische bzw. Lösungen möglichst häufig
in die Nähe der Gehäusewand gelangt. Der eigentliche Aufschmelz- und Mischprozeß
vollzieht sich in erster Linie in einem Scher- und Keilspalt. Um eine gleichmäßige,
schonende und auch definierbare Scherbeanspruchung des eingesetzten Gutes zu erhalten,
müssen alle Materialteilchen gleichmäßig und gleich häufig während des Verarbeitungsprozesses
in den Spalt (11) zwischen den rotierenden Scher- (5) und Homogenisierelementen
(7) und dem Zylindermantel des Gehäuses (4) eingezogen werden.
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Mit (13) sind die, die Scher- und Homogenisierelemente tragenden Wellenenden
bezeichnet. Die Scherelemente (5) sind erfindungsgemäß als längs des Gehäuses (4)
mit Abstand von dessen Achse verlaufende Leisten ausgebildet und zweckmäßigerweise
am Umfang in Drehrichtung mit einer konkaven AnschrK-gung versehen, um möglichst
große Turbulenz der Flüssigkeiten in diesen Bereichen zu erzielen. Die Anzahl der
Leisten richtet sich nach der Größe des Gehäuses und nach den Eigenschaften der
Mischkomponenten und beträgt im allgemeinen 2 bis 12, vorteilhaft 2 bis 4. An die
Scherelemente (5) schließen sich die pyramidenstumpfförmig ausgebildeten Homogenisierelemente
(7) an. Diese sind, in Förderrichtung, in mehreren Reihen hintereinander und gegeneinander
versetzt, am Umfang einer Hohlwelle, angeordnet9 Zwischen den Scher- und Homogenisierelementen
und gegebenenfalls auch im Bereich dieser Elemente können im wesentlichen senkrecht
zur Gehäuseachse stehende Stauscheiben (6), (8) und (9) angeordnet sein, die jeweils
einen Mischabschnitt durch Drosselstellen begrenzen. Der Austrag der Stoffgemische
bzw. Lösungen erfolgt über den regulierbaren Auslauf (10).
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Die Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch kompakte Bauweise
aus und ist bedingt durch die strömungsgünstige Gestaltung der Scher- und Homogenisierelemente
außerordentlich unempfindlich gegen Ablagerungen und sonstige Störungen, beispielsweise
Verklebungen.
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Beispiel 1 90 Teile Bitumen, das nach DIN 1995 eine Penetration von
80 hat, werden mit 10 Teilen Polyolefine mit einem Schmelzindex MFI 190/o, 325 nach
DIN 53 735 von 2,5, vermischt. Die feste Komponente wird bei Raumtemperatur durch
die Einzugsschnecke, die flüssige mit einer Temperatur von 1800C und einen Druck
von 3 at am Umfang des Gehäuses, nach der Einzugsschnecke, in den Aufschmelzteil
transportiert und dort bei hoher Turbulenz vom Scherteil erfaßt. Die zum Aufschmelzen
des festen Stoffes erforderliche Energie wird zum überwiegenden Teil von der eingebrachten
Wärmemenge der flüssigen Komponente gedeckt. Die Umfangsgeschwindigkeit der Scher-
und Homogeniesierelemente beträgt 5,8 m/s bei einer Scherspaltweite von 1,25 mm.
Bei einem Massedurchsatz von 500 kg/h ergibt sich eine Verweilzeit von 20 s und
eine Antriebsleistung von etwa 2 kW. Das Gemisch weist trotz kurzer Verweilzeit
einen sehr guten Homogenitätsgrad auf.
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Beispiel 2 Gemäß Beispiel 1 wird in der Vorrichtung eine Lösung aus
94 Gewichtsteilen Leichtbenzin und 6 Gewichtsteilen Polyäthylen hergestellt. Das
Polyäthylen hat eine Dichte von o, 96 gr/cm3 und einen Schmelzindex von 5 gr/10
Min.. Das Leichtbenzin besßitzt einen Siedebereich von 35 - 950C. Das Polymere wird
in Granulatform über eine kernprogressive Einzugsschnecke zudosiert. In den Flüssigkeitsraum
der Vorrichtung wird durch eine Dosierpumpe das Lösungsmittel mit einer Temperatur
von 1650C über die oeffnung 3 zugeführt. Die Erwärmung der Flüssigkeit erfolgt in
einem separaten Vorwärmer. Der Druck im Gehäuse beträgt 15 bar. Die Umfangsgeschwindigkeit
der Zerteil- und Homogenisierelemente beträgt 10 m/sek, die Scherspaltbreite 0,8
mm. Bei einem Durchsatz von 100 kg/h ergibt sich eine Verweilzeit von 20 sek.
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und eine Temperatur der Lösung von 1550C. ueber eine direkt an den
Ausgangsstutzen angeschlossene Leitung wird die homogene Lösung einer Zerfaserungsvorrichtung
zugeführt.
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Beispiel 3 88 Teile eines mittelmolekularen, niederviskosen Polyisobutylens,
das einen Schmelzindex von 1,5 und eine Dichte von 0,92 g/cm3 hat, werden mit 12
Teilen eines PIB-Gemisches, das sich zu gleichen Teilen aus einem mittel- und hochmolekularen
PIB zusammensetzt, vermischt. Die niederviskose Komponente wird mit 1800C, der Batch
bei einer Temperatur von 170°C in den Aufschmelzteil transportiert und dort von
den Scherelementen erfaßt. Die Komponenten werden infolge von Friktion und Scherung
bei einem Druck von 5 at auf 2500C weiter erwärmt und vermischt und im Homogenisierteil
weiter verteilt. Die Umfangsgeschwindigkeit beträgt 1,7 m/s und die Scherspaltweite
1,25 mm. Bei einem Massedurchsatz von 70 kg/h ergibt sich eine Verweilzeit in der
Vorrichtung von etwa 25 s, wobei die Leistungsaufnahme 10 kW beträgt. Die aus der
Vorrichtung auslaufende Schmelzflüssigkeit ist gut homogenisiert und hat eine Viskosität
von etwa 400 cP.