DE2543183A1 - Verfahren und vorrichtung zum mischen von mindestens zwei chemischen reaktionskomponenten - Google Patents

Description

PATENTANWALT Dr. jur. UWE DREISS 7 STUTTGART 1 Diplom-Ingdiimr, M. Se. Sdiickitra*· 2

T.WonfeMl) 245734 TaltgrammMirMM UOEPAT

25. September 1975 F/s ch

Anmt!d«r:

Gustav Verner Lindström Li ~ 726

Box 37

S-340 33 Lönashult Amn. aw. z.,

Schweden

Priorität: 30. September 1974
74 12 248-2
Schweden

Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von mindestens zwei chemischen Reaktionskomponenten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen von mindestens zwei chemischen Reaktionskomponenten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw, dem des Anspruchs 7.

In Verbindung mit der Herstellung von zellularem Kunststoff aus einem Harnstoff-Formaldehyd-Kunstharz ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Härterlösung, die ein Treibmittel enthält, geschäumt wird, und dieser Schaum mit einer Lösung aus Harnstoff-Formaldehyd-Kunstharz in einem sog. Schaumsprüher besprüht wird, welches Harz zu einem festen Schaum aushärtet, der im wesentlichen aus Harnstoff-Formaldehyd-Kunststoff besteht.

Stellt man zellularen Kunststoff aus einem Harnetoff-Formaldehyd-Kondensat her, ist es sehr wichtig, daß die Harzlösung vor dem Aushärten des Harzes in die bzw. der Schaummas«e einheitlich verteilt wird, weil sich sonst eine sich ändernde Dichte und große Hohlräume im Zellular-Kunststoff ergeben, wenn die weniger mit Harz* überzogenen Blasen zerbrechen. Es ist deshalb wesentlich, daß ein möglichst großer Teil der äußeren Oberfläche jeder Blase mit Harz überzogen wird.

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Bei Harnstoff-Kunstharz-Schaum-Sprühern hat man dies u.a. dadurch zu erreichen versucht, daß Rührwerke verwendet wurden, um tangentiale Bewegungen zu erreichen. Die erreichte Wirkung war jedoch gering oder überhaupt gleich null, weil ein Rührwerk dieselbe Drehung sowohl der Schaumkomponente als auch den Aerosoltröpfchen erteilt, was keine gründliche Mischung mit sich bringt. Mit bekannten Schaumsprühern wurde gewöhnlich ein unhomogener und einseitiger Harzüberzug auf den Schaumblasen erreicht, wenn die Harzlösung in Aerosolform auf eine Schaumkomponente gesprüht wurde, die linear die Mischkammer passierte.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Aensolkomponente der Schaumkomponente in sehr homogener Weise

es bzw.
beigemischt wird, so daß/sie u.a. zum Herstellen von kohärenten Zellenstrukturen mit sehr dünnen Zellen-Scheidewänder verwendet werden kann. Das Verfahren soll dabei auch dafür verwendbar sein, daß ein chemisches Reaktionsprodukt in einer anderen spezifischen physikalischen Form erhältlich ist, beispielsweise in Form von extrem dünnen Flocken oder Spänen, dadurch, daß der aus der Schaurakomponente erhaltene Zellenaufbau zerfallen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird also eine verbesserte Mischung der verschiedenen leaktionskomponenten erreicht, und es kann die Mischung zusätzlich zur Herstellung von porösem Kunststoff auch für eine Anzahl anderer Zwecke dienen. Die Erfindung kann beispielsweise auch bei einer direkten Neutralisations-Reaktion zwischen einer basischen und einer Säure-Substanz verwendet werden, wie beispielsweise zur Neutralisation von Natrium-Silikat mit einer Schwefelsäurelösung, deren Reaktionsprodukt in einer definierten physikalischen Form erhalten werden kann, beispielsweise in Zellenstruktur, freien Plättchen oder verzweigten Faser-Netzwerken.

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Dies erfordert jedoch In sehr strenger Weise, daß die Mengen im Verhältnis zueinander genau dosiert werden können, nicht nur als Durchschnittswert über eine bestimmte Zeltdauer, sondern in jedem einzelnen Zeitintervall, einschließlich in den Zeitpunkten zu Beginn und am Ende. Es ist ferner notwendig, daß dieselben Mischverhältnisse durch die gesamte Menge hindurch erhalten werden , weil man sonst abwechselnd alkalische und Säureteile, also ein unhomogenes Endprodukt erhält, Die Erfindung unterscheidet sich ferner insbesondere in der Weise oder in den Bedingungen vom Stand der Technik, unter denen die Reaktionskomponente in der Mischkammer vermischt werden. Ein anderer wesentlicher Unterschied liegt im Verfahren zum gleichzeitigen Zuführen der verwendeten verschiedenen Reaktionskomponenten.

Erfindungsgemäß erhält man also eine schnelle und wirksame Homogenisierung der Schaum- und Aerosolkomponenten. Die Schaumkoraponente wird vorzugsweise In die Mischkammer in Form einer wendelförmig sich drehenden^im wesentlichen ringförmige Masse eingeführt, die mit der Aerosolkomponente besprüht wird, die die Form eines sich konisch erweiternden Strahles besitzt, der von einem Punkt ausgeht, der In der zentralen Achse der ringförmigen Masse angeordnet ist. Die Einspeisung der Sehaumkoraponente kann durch eine ringförmige Düse erfolgen, zu der der Sehaura durch wendeiförmige Nuten geführt wird.

Um den Teil der äußeren Oberfläche jeder Blase, der mit der Aerosolkomponente überzogen Ist, zusätzlich zu vergrößern, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel den Blasen ebenfalls eine Drehung relativ zueinander im Schaum erteilt, während dieser durch die Mischkammer fortschreitet. Dies kann beispielsweise

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dadurch erreicht werden, daß die wendeiförmigen Nuten so ausgebildet sind, daß ihre äußeren Endbereiche etwas unterscheidliche Neigungen zeigen. Als Folge davon greifen die verschiedenen Materialflüsse ineinander und erteilen den Blasen einander unregelmäßige Drehmomente.

D.a die Relativdrehung der Schaumblasen und mit ihnen der Homogenisierungs-Effekt von der Geschwindigkeit abhängt, mit welcher der Schaum vorwärts durch die wendeiförmigen Nuten gedrückt wird, ist es notwendig, daß die Dosierverhältnisse zu jedem Zeitpunkt sowohl für die beiden Komponenten als auch für die bei der Schaumherstellung zugeführte Druckluft dieselben sind. Diese Erfordernisse werden durch kein normalerweise verfügbares Nadelventil oder Absperrorgan erfüllt.

Diese Dosierprobleme werden erfindungsgemäß durch herkömmliche Dosierdüsen mit einstellbaren Nadeln in Kombination mit speziellen Membranventilen, die durch Druckluft gleichzeitig gesteuert werden, gelöst. Dank der hohen Durchgangskapazität der Membranventile im Verhältnis zu den Dosierdüsen erhält man sofort die richtigen Verhältnisse bzw. Proportionen zwischen den Komponenten sowohl während des Betriebs als auch zu dessen Beginn und Ende.

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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Au§führungsbeispiels näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, teilweise aufgebrochen ,

Fig. 2 eine Seitenansicht in Richtung der Pfeile II - II der Fig. 1 eines Steuerteils der Vorrichtung, teilweise aufgebrochen ,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III - III der Fig. 1 und Fig. 4 einen Teilschnitt längs der Linie IV - IV der Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 allgemein dasjenige Teil bezeichnet, in welchem die Reaktionskomponenten bzw. - bestandteile in Form einer Schaumkomponente bzw. -bestandteil und einer Aerosolkomponente bzw. -bestandteil miteinander gemischt werden. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Leitung zum Zuführen der flüssigen Aerosol-Komponente und die Bezugsziffer 3 eine Schaumsäule herkömmlicher Art, durch welche die Schaumkomponente mittels Druckluft getrieben wird. Eine kombinierte Steuer- und Dosiereinheit ist allgemein mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet. Dieser Einheit U wird die Aerosolkomponente über eine Leitung 5, die Schaumkomponente über eine Leitung 6, die Druckluft zur Schaumherstellung über eine Leitung 7 und die Steuerluft für die Einheit U über eine Leitung 8 zugeführt.

Die Schaumsäule 3 besitzt die Form eines Rohres, das mit Glaskugeln 9 gefüllt ist, die durch zwei perforierte Platten 10 und festgesetzt sind. Innerhalb dieser Säule 3 wird die über die Leitung 6 zugeführte Schaumkomponente geschäumt. Die Schaumkomponente muß einen Schaumbildner bzw. ein Treibmittel enthalten oder sie muß in sich schaumbildende Tendenz besitzen, während sie durch die Schaumsäule mittels der durch die Leitung 7 zugeführten Druckluft gedrückt wird. Der Schaum strömt in zwei schrauben-,/wendel- bzw,

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schneckenförmige Nuten bzw. Rillen, die durch eine feststehende Schraube 12 gebildet sind und durch welche und über deren ganze Länge der Schaum zu einer ringförmigen Einlaßöffnung 18 einer Mischkammer 13 gedrückt wird. Die Aerosolkomponente wird der Mischkammer 13 durch die Leitung 2 und einen axialen Durchgang bzw. Kanal im Kern der Schraube 12 zugeführt, der in ein Sprühmundstück oder -düse mündet. Diese Düse ist von bekannter Ausbildung und enthält einen mittigen Körper 14, der mit zwei Nuten 15 und 16 versehen ist, die diametral einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Aerosolkomponente, die durch die Nuten 15, 16 gelangt, wird eine Drehung erteilt, bevor sie über ' eine Öffnung 17 in Form eines konisch sich erweiternden Strahles in die Mischkammer 13 gelangt.

Die Schaumkomponente, die entsprechend der Schraube 12 und der ringförmigen Öffnung 18 in die Kammer in Form einer wendelförmig . rotierenden , im wesentlichen ringförmigen Masse eingeleitet wird, wird so auf ihren Weg durch die Mischkammer 13 mit der durch die Öffnung 17' zugeführten Aerosolkomponente besprüht. Durch die Rotation der Masse wird ein großer Teil der äußeren Oberfläche jeder Schaumblase von der Aerosolkomponente getroffen und demzufolge ist das Reaktionsprodukt, das durch eine Verbindung 1? ausgegeben wird, von vollständig homogener Natur.

Bei der Herstellung von beispielsweise Urea- bzw. Harnstoff-Schaum durch Aufsprühen einer Harzlösung auf eine Schaumhärterlösung ist es wünschenswert, daß im wesentlichen alle Schaumblasen mit dem Harz überzogen sind, um einen zellularen Kunststoff mit soviel wie möglich geschlossenen oder im wesentlichen geschlossenen Zellen bzw. Poren zu erhalten. Zu diesem Zweck können den einzelnen Schaumblasen in der Masse, die der Mischkammer 13 zugeführt wird, eine Rotation relativ zueinander erteilt werden. Dies kann

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dadurch erreicht werden, daß die beiden wendelförmigen Nuten, die durch die Schraube 12 und eine 180°-Versetzung relativ zueinander •gebildet sind, an ihren äußeren Endbereichen mit etwas unter-

bzw.Steigungen
schiedlichen Neigungen/versehen sind. Dementsprechend wird die Masse, die in der einen Schraubenut fließt, in die Masse geworfen bzw. getrieben, die in der anderen Nut fließt. Daraus ergibt sich, daß den einzelnen Schaumblasen nicht einheitliche Drehmomente erteilt werden, so daß die Blasen relativ zueinander rotieren, während die Schaummasse sich in einem sich drehenden Fluß durch die Mischkammer 13 bewegt. Die Neigungsdifferenz zwischen den äußeren Endbereichen der beiden wendeiförmigen Nuten kann, etwa 2 bis 6 betragen. Eine Neigungsdifferenz von etwa 4 wurde als besonders geeignet empfunden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß relativ zur normalen Neigung die Neigung in einer Nut um 2 verringert und in der anderen Nut um 2° vergrößert wird. Die Nuten enden dennoch nach wie vor um 180° versetzt zueinander. Die Schraube 12 kann mit beliebiger Anzahl von wendeiförmigen Nuten versehen sein, in welchem Falle die verschiedenen Nuten, wenn ihre Anzahl eine Nut übersteigt, vorzugsweise mit demselben winkelförmigen Abstand relativ zueinander enden.

Um ein homogenes Reaktionsprodukt nicht nur w"~ -^nd des Betriebes sondern auch zu dessen Beginn und Ende zu erhalten, ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit der Steuereinheit 4 versehen, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel drei Membranventile 20, 21 und 22, ein druckluftbetriebenes Steuerventil 23 und zwei einstellbare Drosselventile 24 und 25 besitzt.

Wie aus Fig. 2 am deutlichsten ersichtlich, enthält jedes Membranventil eine Kammer 26, eine Membran 27 und ein Halte- bzw. Einspannglied 28 für die Membran. In den Teil der Kammer 26, der unterhalb der Membran 27 angeordnet ist, mündet ein Kanal 29, der mit der zugeordneten Speiseleitungi in diesem Falle mit der Leitung 5 für die Aerosolkomponente, in Wirkverbindung ist, und ein

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Kanal 30, der in diesem Falle mit der Leitung 2 verbunden ist, die die Aerosolkomponente zum Mischteil 1 fördert. In entsprechender Weise ist das Membranventil 21 zwischen der Druckluftleitung 7 und der Schaumsäule 3 und das Ventil 22 zwischen der Leitung 6 für die Schaumkomponente und der Schaumsäule 3 angeordnet, bzw. mit diesen verbunden. In den Teil der Kammer 26, der über der Membran 27 angeordnet ist, mündet in jedes Membranventil ein Kanal 31, der mit' dem Steuerventil 23, wie noch weiter unten beschrieben wird, in Wirkverbindung ist.

Aus Fig. 3 wird deutlicher, daß der obere Teil jeder Kammer 26 in den Membranventilen mit diesem Kanal 31 in Wirkverbindung ist, der sich vom Steuerventil 2 3 erstreckt. In den dort nicht dargestellten Kanälen 30, die sich, von den Membranventilen 21 und 22 , zur Schaumsäule 23 erstrecken, sind die Drosselventile 24, 25 gekoppelt. Mit Hilfe dieser Stellventile kann der Strom durch diese Kanäle auf den gewünschten Wert fein eingestellt werden.

In der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Lage sind die Membranventile offen, d.h., ein Strom kann durch den Kanal 29 über den unteren Teil der Kammer 26 und hinaus durch den Kanal 30 gelangen. Wenn jedoch der Druck auf der oberen Fläche der Membran 27 den Druck im Kanal 29 übersteigt, wird die Membran 27 dichtend gegen die Mündungen der Kanäle 29 und 30 in der Kammer 26 gepreßt, was bewirkt, daß das Ventil geschlossen wird.

Zur Steuerung der Membranventile wird ein in Fig. U dargestelltes Steuerventil verwendet, das einen Körper 32 aufweist, der in einem Hohlraum angeordnet ist und als ein in axialer Richtung etwas bewegbarer Kolben wirkt. In den Boden dieses Hohlraums mündet ein Kanal 33, der mit der Steuerluftleitung 8 in Wirkverbindung ist. Der Druck in der Leitung 8 ist etwas höher als der Druck in

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den Leitungen 5 bis 7. Etwas weiter oben im Hohlraum mündet der Kanal 31, der sich zu den Teilen der Ventilkammern 26 erstreckt, die oberhalb der betreffenden Membran 27 angeordnet sind.

In der dargestellten Lage werden der Körper 32 und ein O-Ring 34, der im Bereich des unteren Teils des Körpers vorgesehen ist, unter dichtender Anlage an ein Schulterteil im Hohlraum gepreßt, das als Ventilsitz ausgebildet ist. Dies bedeutet, daß die Teile der Ventilkammern 26, die über der betreffenden Membran 27 angeordnet sind, mit der Umgebungsluft über den Kanal 31 und den Hohlraum" in Wirkverbindung sind. Ist der Druck in den Leitungen 5 bis 7 höher als der Athmosphärendruck, wird die Membran 27 durch den Druck im betreffenden Kanal 29 angehoben. Dadurch werden alle Membranventile geöffnet.

Wenn ein Steuerarm 35, der den Körper 32 in seiner unteren Stellung hält, freigegeben wird, wird der Körper 32 durch den Oberdruck im Kanal 33 angehoben, wodurch er sich gegen einen, etwa in seinem Halsbereich angeordneten O-Ring 36 dichtend anlegt. In dieser Lage wird die Steuerluft mit dem höheren Druck im Kanal 33 durch den Kanal 31 zu den Teilen der Ventilkammern 26 geführt, die über der betreffenden Membran 27 angeordnet sind, wodurch sie, entsprechend dem höheren Druck, die Membran nach unten in dichtende Anlage gegen die Mündungen der Kanäle 29 und 30 drückt, wodurch die Membranventile geschlossen werden. Um die Membranventile wieder zu öffnen, werden der Steuerarm 35 und der Körper 32 wieder nach unten gedrückt, wodurch die Räume über der Membran 27 wieder evakuiert werden und der Steuerluftkanal 33 geschlossen wird. Die Membran 27 wird.dadurch wieder angehoben und die Ventile werden geöffnet.

Die gezeigte Steuereinheit macht es somit möglich, alle Membranventile durch Verwendung nur eines einzigen Steuermittels gleichzeitig zu öffnen und zu schließen. Dies ist von großer Bedeutung,

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weil dadurch sichergestellt ist, daß die genauen Mischproportionen bzw. -Verhältnisse gleich zu Beginn erhalten und solange aufrechterhalten werden, bis die Vorrichtung abgeschaltet ist. Diese Steuereinheit kann um eine beliebige Anzahl von Membranventilen vergrößert werden, von denen alle von einem einzigen Steuerventil gleichzeitig gesteuert werden können.Damit können beispielsweise mehrere Sprühvorrichtungen parallel verbunden und gesteuert werden, wenn man dies will.

- Ansprüche -

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Claims (12)

1. Ansprüche

   Verfahren zum Mischen von mindestens zwei chemischen Reaktionskomponenten, von denen vor ihrer Mischung in einer Mischkammer die eine, die Schaumkomponente, zur Bildung eines Schaums veranlaßt wird und die andere, die Aerosolkomponente, in Aerosol-Form zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkomponente eine Drehung erteilt wird, während sie durch die Mischkammer (13) bewegt und mit den fein verteilten Tröpfchen der Aerosolkomponente besprüht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumkomponente in die Mischkammer (13) in Form einer wendelförmig sich drehenden, im wesentlichen ringförmigen Masse eingeleitet wird, und daß die Aerosolkomponente in die Mischkammer (13) in Form eines sich konisch erweiternden Strahles von einem Punkt aus eingesprüht wird, der in der zentralen Achse der ringförmigen Masse angeordnet ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumkomponente der Mischkammer (13) über einen ringförmigen Schlitz (18) zugeführt wird, zu dem der Schaum durch zwei wendeiförmige, um 180° zueinander versetzte Nuten geführt wird.

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   - je -
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß den Blasen in der Schaumkomponente eine Drehung relativ zueinander erteilt wird, während der Schaum durch die Mischkammer (13) fortschreitet.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumkomponente der Mischkammer (13) über einen ringförmigen Schlitz (18) zugeführt wird, zu der der Schaum durch zwei wendeiförmige Nuten gelangt, die im wesentlichen um 180° relativ zueinander versetzt sind und in etwas unterschiedlichen Steigungen enden.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme der Schaumkomponente, der Aerosolkomponente und der Druckluft, die bei der Schaumherstellung verwendet wird, mittels druckluftgesteuerter Membranventile (20, 21, 22) gleichzeitig verbunden bzw. unterbrochen werden.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (12) aufweist, die der Schaumkomponente eine Drehung erteilt, während diese durch die Mischkammer (13) fortschreitet und einem Besprühen mit zerstäubtem Tröpfchen der Aerosolkomponente unterworfen ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie wendeiförmige Nuten zum Zuführen der Schaumkomponente zu einem ringförmigen Einlaßschlitz (18) der Mischkammer (13) aufweist, und daß eine Düse (17) zum Zuführen der Aerosolkomponente zur Mischkammer (13) in Zentrum des ringförmigen Schlitzes (18) vorgesehen ist.

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   -fa
9. 9, Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden wendeiförmigen Nuten im wesentlichen um 180 zueinander versetzt angeordnet sind und mit wenig unterschiedlichen Steigungen enden.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungsunterschied zwischen den äußeren Enden der Nuten etwa 2 bis 6°, vorzugsweise 4° beträgt.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß sie druckluftgesteuerte Membranventile (20, 21, 22) zum gleichzeitigen öffnen bzw. Schließen von Speiseleitungen (6, 5) für die Schaumkomponente und die Aerosolkomponente und eine Speiseleitung (7) für die bei der Schaumherstellung verwendete Druckluft aufweist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Membranventil (20, 21, 22) eine flexible Membran (27) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie eine Wirkverbindung zwischen zwei Kanälen (29, 30), die auf einer Seite der Membran (27) münden, abhängig von der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Membran (27) verhindert bzw. ermöglicht.

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