DE2555079B2 - Vorrichtung zum Temperieren von hochviskosen Lösungen oder Schmelzen thermoplastischer Kunststoffe - Google Patents
Vorrichtung zum Temperieren von hochviskosen Lösungen oder Schmelzen thermoplastischer KunststoffeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren von hochviskosen Lösungen oder
Schmelzen thermoplastischer Kunststoffe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für viele Verarbeitungs- und Nachbehandlungsverfahren von thermoplastischen Kunststoffen ist es
notwendig, hochviskose Polymer-Lösungen oder -Schmelzen durch definierte thermische Vorbehandlung
in einen Zustand zu bringen, der die Weiter- und Nachbehandlung der Produkte in bekannter und
üblicher Weise gestattet. Es sind hierfür bereits zahlreiche Vorrichtungen beschrieben, die für die
Vielzahl der thermoplastischen Kunststoffe mit ihren differenzierten Eigenschaften mehr oder weniger gut
geeignet sind. Beispielsweise ist es möglich, Extruder für die Temperierung von Polymer-Lösungen oder
-Schmelzen zu benutzen. Beheizte Extruder lassen sich zwar recht gut für das Aufheizen der Produkte
verwenden, sind jedoch zum Kühlen und damit zum genauen und wirtschaftlichen Temperieren schlecht
geeignet.
Ferner sind Röhren- oder Platten-Wärmeaustauscher beschrieben worden. Konventionelle Vorrichtungen
dieser Art haben den Nachteil, daß die Aufheizung bzw. Kühlung des thermoplastischen Kunststoffes in relativ
dicken Produktschichten geschieht. Wegen den dabei auftretenden hohen Ternperaturdifferenzen zwischen
Produkt und Temperiermedium werden die wandberührenden Produktschichten überhitzt bzw. unterkühlt, was
thermische Schädigung und/oder ungleichmäßiges Fliessen und dadurch bedingt eine unerwünschte
Verweilzeitverteilung im Wärmeaustauscher mit sich bringt. Bei thermisch empfindlichen Thermoplasten,
z. B. Mischpolymerisaten des Styrole mit Acrylnitril bzw.
w> Methacrylnitril, tritt dabei bekanntlich Verfärbung auf,
und es bilden sich bereits nach kurzer Zeit schwarze, koksartige Zersetzungsprodukte, die das Polymerisat
zunehmens verunreinigen und dadurch seinen Gebrauchswert stark beeinträchtigen. Sind in den Lösungen
oder Schmelzen der zu temperierenden thermoplastischen Kunststoffe elastifizierend wirkende Komponenten,
z. B. Pfropfkautschuke, vorhanden, können beim Undefinierten Temperieren Abbauvorgänge oder Nachvernetzungen
auftreten, die die Produkteigenschaften unerwünscht beeinflussen.
Aus der US-Patentschrift 30 14 702 ist eine Vorrichtung bekannt, die die Temperierung von hochviskosen
Flüssigkeiten, z. B. Polymer-Schmelzen, in dünnen Schichten gestattet. Hierdurch wird wohl für einen
raschen Wärmeübergang gesorgt, doch gestattet die Temperaturführung in der Vorrichtung auch in diesem
Falle keine hinreichend definierte und schonende Temperierung. Zudem kann durch die Produktstromführung
in der Vorrichtung die hochviskose Flüssigkeit nicht sofort von den beheizten Flächen abfließen, ohne
unnötig lange thermischer Beanspruchung ausgesetzt zu sein. Demzufolge können auch bei Verwendung einer
derartigen Temperiervorrichtung Produktschädigungen bei temperaturempfindlichen hochviskosen Polymer-Lösungen
oder -Schmelzen nicht ausgeschlossen werden. Die schwarzen, koksartigen Zersetzungsprodukte
rufen nicht nur eine Produktverschmutzung hervor, sondern bewirken auch störende Ablagerungen in den
produktführenden Spalten des Wärmeaustauschers, die regelmäßig entfernt werden müssen. Damit verbunden
ist ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung darin zu sehen, daß die produktführenden Spalten nur schlecht
zugänglich und ihre schnelle und einfache Reinigung nicht möglich ist.
Aus der US-PS 37 76 426 ist andererseits eine zerlegbare Vorrichtung bekannt, die eine konisch
verlaufende Schmelzkammer aufweist, die nicht stufenweise temperierbar ist.
In dieser Vorrichtung kann das Produkt nicht in gleichmäßig dünnen Schichten geführt werden, was zu
Produktschädigungen führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Erhaltung der guten Zugänglichkeit der produktführenden
Kanäle die Vorrichtung so zu gestalten, daß die Gefahr einer Schädigung des Produktes vermindert
wird.
Diese Aufgabe wurde unter Beibehaltung der Zerlegbarkeit derVorrichtung gelöst durch eine Verbesserung
der Temperierung der Schmelze bzw. Lösung in den schlitzförmigen Kanälen definierter, gleichbleibender
Tiefe mittels verschiedenen temperierbaren Zonen längs dieser Kanäle.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, daß sämtliche produktführenden Kanäle vom Beschickungs- zum Abgabeende der Segmente parallel
verlaufen und die Segmente in Richtung der Kanäle in mehrere unabhängig voneinander temperierbare Zonen
■unterteilt sind, und daß die Kanäle am Beschickungsende im Bereich der ersten Temperierzone einen Einlaß
mit erweitertem Querschnitt, im übrigen aber durchgehend eine gleichbleibende Tiefe aufweisen.
Vorzugsweise ist dabei die Breite der schlitzförmigen Kanäle durchgehend gleichbleibend. Sie kann sich in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung aber auch kontinuierlich oder sprunghaft ändern.
Durch die Ausbildung und Anordnung der produkt-
führenden Kanäle und die Unterteilung der Segmente in mehrere unabhängig voneinander temperierbare Zonen
ist eine definierte Aufteilung und eine schonende, genau kontrollierbare Temperierung der zu behandelnden
Lösung bzw. Schmelze gewährleistet. Sollte trotzdem eine Produktschädigung auftreten, vas ζ. Β. durch eine
Betriebsstörung nie völlig ausgeschlossen werden kann, so gestattet es die Gliederung der Vorrichtung, daß die
produktführenden Zonen leicht zugänglich sind, d. h. entweder offengelegt oder leicht ausgetauscht werden
können, se daß im Bedarfsfall ihre Reinigung oder Erneue, jng ohne großen Aufwand möglich ist.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung wegen ihrer Flexibilität und Variabilität optimal an die
zur Nach- oder Weiterbehandlung der Produkte nachgeschalteten Apparate oder Maschinen angepaßt
werden.
Unter thermoplastischen Kunststoffen sollen im Rahmen dieser Erfindung alle makromolekularen Stoffe
oder Mischungen solcher Stoffe verstanden werden, die unter Anwendung von Druck und Temperatur plastisch
und fließfähig werden. Der Ausdruck makromolekulare Stoffe umfaßt dabei alle im wesentlichen durch Homo-
oder Copolymerisation der Monomeren in Substanz, Lösung oder Dispersion erhaltenen Polymerisate,
ebenso wie die Polykondensate und Polyadditionsprodukte. Das mittlere Molekulargewicht der thermoplastischen
Kunststoffe, bestimmt als Zahlmittel über Messungen des osmotischen Druckes, liegt in der Regel
über 500, vorzugsweise zwischen 30 000 und 200 000.
Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren von thermisch empfindlichen
Polymerisaten oder Polymerisatgemischen. Als solche seien beispielsweise die Homo-, Co- und
Terpolymerisate des Butadiens, Isoprens, Isobutylens und Vinylähter mit Acrylestern, Methacrylestern und
alkylenaromatischen Monomeren, wie Styrol oder a-Methylstyrol, genannt. Hierzu gehören auch die
Polymerisate bzw. Polymerisatgemische, die bei der Polymerisation von Acrylnitril oder Methacrylnitril
enthaltenden Monomerengemischen anfallen, wie etwa Stryrol-Acrylnitril- oder Butadien-Acrylnitril-Mischpolymerisate.
Ebenso sollen die zweiphasigen Polymerisatmischungen enthalten sein, deren disperse Phasen aus
elastifizierend wirkenden, meist gepfropften Homo-, Co- oder Terpolymerisaten, z. B. von Butadien, Isopren,
Acrylestern und/oder Vinyläthern bestehen, während die kohärente Phase aus Homo-, Co- oder Terpolymerisaten
olefinisch ungesättigter Monomerer, wie Styrol, a-Methylstyrol, Acrylnitril, Methacrylnitril, Acryl- oder
Methacrylsäureester, insbesondere von Alkoholen mit 1 bis 8 C-Atomen, Maleinsäureanhydrid etc. besteht. Die
zweiphasigen Polymerisatmischungen sind auch als SB-, ABS- bzw. ASA-Polymerisate bekannt.
Die thermoplastischen Kunststoffe werden nach den üblichen Verfahren, z. B. in Substanz, Lösung oder
wäßriger Dispersion hergestellt und können vor ihrer Weiter- und Nachbehandlung in der erf'ndungsgemäßen
Vorrichtung unter schonenden Bedingungen temperiert werden. Die hochviskose Lösung bzw. Schmelze
hat dabei im allgemeinen eine Viskosität von 102 bis 106
dPa.s und insbesondere von 103 bis 105 dPa.s; diese Angaben beziehen sich auf die zufließende Lösung bzw.
Schmelze.
Die hochviskose Lösung bzw. Schmelze durchströmt die Wärmeaustauschzonen in produktführenden Kanälen
in Form dünner Produktschichten. Diese produktführenden Kanäle sind, z. B. in Flachkanalform, in
segmentförmig aufgebaute, baukastenmäßig zusammengesetze Metallblöcke eingelassen, welche als
wärmeübertragendes Medium dienen.
Die Temperierung der Metallblöcke kann durch beliebige primäre Wärmeträger erfolgen. Als solche
kommen alle konventionellen Heiz- und Kühlsysteme, z. B. Dampf- oder Flüssigkeitsheizkreise, elektrische
Heizstäbe oder Kühlflüssigkeiten in Betracht. Die Wärmeübertragung durch die Metallblocke kann wegen
deren guter Wärmeleitung optimal gesteuert werden.
Um eine möglichst schonende Temperierung der hochviskosen Lösung bzw. Schmelze zu erreichen,
erfolgt die Wärmeübertragung stufenweise in mehreren Temperierzonen, die in Produktstromrichtung hintereinander
angeordnet sind. Die Wärmeaustauschzone ist mindestens in zwei, vorteilhaft in drei oder mehr
unabhängig voneinander temperierbare Zonen gegliedert. Die Temperatur der zur Wärmeübertragung
dienenden Metallblöcke in den einzelnen Temperierzonen wird über die primären Wärmeträger so geregelt,
daß die Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeübertragenden Medium und den dünnen Produktschichten
der hochviskosen Lösung bzw. Schmelze an jedem Ort der Wärmeaustauschzone kleiner als 500C ist.
Vorzugsweise werden Temperaturdifferenzen kleiner als 20° C eingehalten.
Es ist günstig, wenn die dünnen Produktschichten bei der Temperierung eine Schichtdicke von weniger als
4 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 3 mm, haben. Dabei wird auch bei den thermoplastischen Kunststoffen,
die in der Regel schlechte Wärmeleiter sind, eine rasche und gleichmäßige Temperierung über den
gesamten Querschnitt des Produktstromes und somit auch eine exakte Temperaturführung bei geringen
Temperaturdifferenzen möglich. Durch die gleichmäßige Temperierung über den gesamten Querschnitt der
Produktscnichten wird ferner ein gleichförmiges Fließen der hochviskosen Lösung bzw. Schmelze erreicht
und eine unerwünschte Verweilzeitverteilung in den einzelnen Produktschichten vermieden.
Die Querschnittsbreite der dünnen Produktschichten, gleichbedeutend mit der Querschnittsbreite der produktführenden
Kanäle in den Wärmeaustauschzonen, ist ebenso wie die Querschnittsform weitgehend
variabel und kann dadurch den entsprechenden Verfahrensaufgaben angepaßt werden. So ist es
möglich, daß die Breite der produktführenden Kanäle in der Wärmeaustauschzone in Produktstromrichtung
kleiner wird, sich vergrößert oder gleich bleibt. Die Veränderungen können kontinuierlich oder sprunghaft
erfolgen, sie können sich über die gesamte oder nur einen Teil der produktführenden Kanäle erstrecken. Die
Querschnittsbreite eines produktführenden Kanals kann sich auch mehrfach ändern, z. B. kann sie sich zuerst
verengen und anschließend erweitern. Es ist dabei lediglich wichtig, daß die Schichtdicke der dünnen
Produktschichten in den produktführenden Kanälen in der Wärmeaustauschzone stets unter 4 mm liegt.
Durch die Änderung der Querschnittsbreite und damit verbunden auch der Querschnittsfläche der
produktführenden Kanäle kann die Fließgeschwindigkeit und damit die Verweilzeit der hochviskosen Lösung
bzw. Schmelze beeinflußt und beispielsweise in den verschiedenen Temperierzonen unterschiedlich geregelt
werden. Ferner kann hierdurch der Druck in den produktführenden Kanälen des Wärmeaustauschers
bestimmt werden. Bei der Temperierung der hochviskosen Lösungen oder Schmelzen liegt der Druck in den
produktführenden Kanälen, bezogen auf die höchste auftretende Temperatur in der Wärmeaustauschzone,
im allgemeinen über dem Sättigungsdruck der flüchtigen Lösungs- oder Schmelze-Bestandteile, um ein
Verdampfen der flüchtigen Bestandteile und damit verbunden ein eventuelles Aufschäumen der zu
temperierenden hochviskosen Lösung oder Schmelze zu verhindern.
Die Vorrichtung ist aus mindestens zwei, vorzugsweise drei oder mehr baukastenmäßig zusammengesetzten
massiven Metallblöcken aufgebaut, die im zusammengebauten Zustand wärmeschlüssig miteinander verbunden
sind.
Die massiven Metallblöcke bestehen aus Metallen oder Metallegierungen, vorzugsweise mit Wärmeleitfähigkeiten
größer als 116 , insbesondere Alumini-K ' m
um oder Aluminiumlegierungen. Die hohlraumartigen Durchführungen in den Metallblöcken zur Aufnahme
der primären Wärmeträger können als bloße Bohrungen oder als eingegossene oder eingepreßte Rohre bzw.
Rohrschlangen ausgebildet sein. Ihre Ausbildungsform wird sich vor allem nach der Wahl des primären
Wärmeträgers richten.
Im folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert.
F i g. 1 zeigt den schematischen Aufbau des Wärmeaustauschers in zerlegtem Zustand, dessen massive
Metallblöcke plattenförmig ausgebildet sind. Die plattenförmigen Segmente 1 sind mit Ausnahme des
plattenförmigen Abschlußsegmentes 2 auf der einen Seite mit mehreren offenen, flachen schlitzförmigen
Kanälen 3 versehen. Die schlitzförmigen Kanäle 3 in einem plattenförmigen Segment 1 sind parallel zueinander
angeordnet und weisen an der Produkt-Aufgabeseite einen Einlaß 4 mit erweitertem Querschnitt auf.
Hierdurch wird die Gleichverteilung der zufließenden hochviskosen Lösung oder Schmelze des thermoplastischen
Kunststoffes auf alle schlitzförmigen Kanäle 3 gewährleistet.
Der Einlaß 4 soll dabei möglichst nicht bis in den temperierten Bereich der plattenförmigen Segmente 1
hinabreichen. In die plattenförmigen Segmente 1,2 sind
ferner senkrecht zur Richtung der schlitzförmigen Kanäle (3) hohlraumartige Durchführungen 5 zur
Aufnahme des primären Wärmeträgers eingelassen. Die hohlraumartigen Durchführungen 5 verlaufen vorzugsweise
parallel zueinander und sind in Richtung der Kanäle 3 in drei Zonen 5a, 56, 5c unterteilt, die mit
verschiedenen Temperaturen betrieben werden können.
Die einzelnen plattenförmigen Metallsegmente 1, 2 werden in der Art, wie in F i g. 1 in der Seitenansicht und
Fig. 2a in der Aufsicht wiedergegeben ist, baukastenmäß'ig
zusammengesetzt und mit entsprechenden Mitteln, wie Zugankern bzw. -schrauben, zusammengehalten,
so daß die offenen schlitzförmigen Kanäle 3 eines plattenförmigen Segmentes 1 jeweils mit der
glatten Rückseite des benachbarten plattenförmigen Segmentes 1, 2 geschlossene, dichte schlitzförmige
Kanäle für die Produktführung bilden. Die Dichtflächen zwischen den plattenförmigen Segmenten 1, 2 werden
dabei vorteilhafterweise durch Aufbringung einer weicheren Substanz behandelt. Man erhält so einen
blockförmig aufgebauten Wärmeaustauscher, der nach dem Betrieb leicht wieder in die einzelnen plattenförmigen
Segmente 1, 2 zerlegt werden kann, wodurch die produktführenden schlitzförmigen Kanäle 3 offengelegt
und gereinigt sowie gegebenenfalls nachbehandelt, z. B.
poliert oder passiviert werden können.
Es ist selbstverständlich möglich, daß die mittelständigen plattenförmigen Segmente 1 beidseitig mit den
offenen schlitzförmigen Kanälen 3 versehen sind. In -, diesem Fall kann auch das plattenförmige Abschlußsegment
2 auf der Innenseite schlitzförmige Kanäle 3 aufweisen. Die plattenförmigen Metallsegmente 1, die
beidseitig produktführende schlitzförmige Kanäle 3 besitzen, können so zusammengebaut werden, daß sich
ίο hierbei die Schlitztiefen addieren, wie es in Fig. 2b in
der Aufsicht skizziert ist. Dies kann z. B. vorteilhaft sein, wenn relativ hohe Verweilzeiten der Produkte im
Wärmeaustauscher gefordert werden. Ebenso ist es möglich, entsprechend F i g. 2c beim Zusammenbau der
r> Segmente planparallele Platten 6 zwischen die beiseitig
mit den schlitzförmigen Kanälen 3 durchzogenen Segmente 1 einzusetzen. Diese planparallelen Platten 6
können aus dem gleichen oder einem anderen Material wie die Segmente 1 hergestellt sein und beispielsweise
als besondere Dichtelernente zwischen den einzelnen Segmenten dienen. Darüber hinaus kann es vorteilhaft
sein, wenn die eingefügten planparallelen Platten 6 so beschaffen sind, daß sie eine zusätzliche Produktbehandlung
ermöglichen, z. B. daß sie als Schall-oder
2") Strahlengeber fungieren und/oder daß sie Meßelemente,
z. B. Transmitter für die Druck- und Temperaturmessung des Produktstromes enthalten.
Beispiele für die Verwendung der Vorrichtung sind die gleichmäßige Temperierung von Kunststoffschmelzen
vor Formwerkzeugen, wie Breitschlitzdüsen, zur Herstellung von Platten und Folien, oder für Heißabschlagvorrichtungen
zur Produktgranulierung; ferner die Temperierung von thermisch empfindlichen Kunststofflösungen,
z. B. Polymeren, die Vinylhalogenide,
J-) Acrylnitril und Butadien enthalten. Hier ist es besonders
vorteilhaft mit sehr kleinen Temperaturdifferenzen zu arbeiten, insbesondere, wenn bis nahe an die Siedetemperatur
aufgewärmt und die Lösung in einen Reaktor oder in einen Verdampl'erextruder eingespeist werden
w soll.
Nach der Aufarbeitung einer Polystyrolschmelze, wie sie bei der Substanz-Polymerisation von Styrol anfällt,
werden stündlich 2000 kg Polystyrolschmelze mit einer
■n Temperatur von 230 bis 2500C erhalten und mit einer
Zahnradpumpe durch einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher hindurchgepreßt, dabei auf eine Temperatur
von 300°C temperiert und bei dieser Temperatur einer Heißabschlagvorrichtung zugeführt, die das
■ίο Polystyrol als linsenförmige Teilchen in verkaufsfähiger
Form verläßt.
Hierbei wird ein Wärmeaustauscher gemäß Fig. 1 eingesetzt, der aus 25 plattenförmigen Metallsegmenten
aus Edelstahlzusammengesetzt ist. Der Wärmeaustau-
Vi scher enthält insgesamt 600 schlitzförmige Kanäle mil
den Maßen 2,5c 0,4 cm χ 150 cm. Die hohlraumartiger Durchführungen für den primären Wärmeträger sind ir
drei Zonen unterteilt, die — in Produktstromrichtung gesehen - mit Temperaturen von 260° C, 29O0C unc
w) 310 bis 3200C betrieben werden. Die Temperatur dei
letzten Temperierzone wird geregelt, um die Austrittstemperatur der Schmelze konstant bei 3000C zu halten
Als primärer Wärmeträger dient eine handelsübliche Wärmeträgerflüssigkeit. Der Wärmeaustauscher ist
hi oben mit einem Verteilerkonus für den Produkteinganj
versehen.
Da die Heißabschlagvorrichtung empfindlich au! Temperaturschwankungen der Polystyrolsnhmelze rea-
7 8
giert, muß die Temperierung der Polystyrolschmelze Setzt man einen konventionellen Röhrenwärmeauseinerseits
sehr definiert, andererseits wiederum scho- tauscher mit einem lichten Rohrmesser von 10 mm ein,
nend und schnell vorgenommen werden, da durch so erhält man durch Temperaturschwankungen Fehllängere Verweilzeiten Vergilbung und Abbau im korn-Anteile und dabei meist schwach vergilbtes
Polymerisat hervorgerufen werden. Im vorliegenden Polymerisat, so daß unerwünscht schwankende ProBeispiel
erhält man ein sehr gleichmäßiges Polystyrol- duktfarbe erhalten wird,
korn von sehr heller Farbe.
korn von sehr heller Farbe.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Vorrichtung zum Temperieren von hoch viskosen Lösungen oder Schmelzen thermoplastischer
Kunststoffe, bestehend aus mindestens zwei baukastenmäßig zusammensetzbaren, massiven Metallsegmenten,
in die einseitig offene, schlitzförmige Kanäle geringer Tiefe zur Aufnahme und Führung
der hoch viskosen Lösung oder Schmelze und ι ο hohlraumartige Durchführungen zur Aufnahme
eines Wärmeträgers eingearbeitet sind, wobei die Segmente im zusammengebauten Zustand wärjneschlüssig
miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche produktfüh- ι■>
renden Kanäle (3) vom Beschickungs- zum Abgabeende der Segmente (1) parallel verlaufen und die
Segmente (1) in Richtung der Kanäle (3) in mehrere unabhängig voneinander temperierbare Zonen (5a,
5b, 5c) unterteilt sind, und daß die Kanäle (3) am Beschickungsende im Bereich der ersten Temperierzone
einen Einlaß (4) mit erweitertem Querschnitt, im übrigen aber durchgehend eine gleichbleibende
Tiefe aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 2r>
zeichnet, daß die Breite der schlitzförmigen Kanäle (3) durchgehend gleichbleibend ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Breite der schlitzförmigen Kanäle (3) kontinuierlich oder sprunghaft ändert. κι
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