DE2724132A1

DE2724132A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines schaumstoffbildenden reaktionsgemisches

Info

Publication number: DE2724132A1
Application number: DE19772724132
Authority: DE
Inventors: Wilfried Ebeling; Dieter Kreuer; Klaus Schulte
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1977-05-27
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1978-11-30
Also published as: US4195527A; GB1600166A; FR2391838A1; JPS53147795A; DE2724132C3; DE2724132B2; IT7823810A0

Description

Bayer Aktiengesellschaft 2724132

Zentralbereich Patente. Marken und Lizenzen

Mr/RBg 509 Leverkusen. Bayerwerk

2S. Mai 1977

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines schaumstoffbildenden Reaktionsgemisches

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines schaumstoffbildenden Reaktionsgemisches, insbesondere auf Basis Polyurethan, aus mindestens zwei miteinander reagierenden flüssigen Komponenten, die kontinuierlich einer Mischzone zugeführt und miteinander vermischt werden, wobei der Volumenstrom mindestens einer Komponente kontinuierlich gemessen wird.

Zweck der Erfindung ist die genaue Dosierbarkeit der Komponenten, damit ein einwandfreies Endprodukt mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt werden kann.

Sämtliche Polyurethan-Rezepturen sind auf Gewichtsteil-Basis aufgebaut, d. h. die Einstellung einer Mischvorrichtung muß über den Massenstrom erfolgen. Dies geschieht bisher in der Regel wie folgt:

Man testet die Dosierpumpen, indem man bei verschiedenen Pumpenregelweg-Einstellungen die pro Zeiteinheit geförderte Menge bei einem bestimmten Druck auslaufen läßt und anschließend wiegt. Nach den so ermittelten Pumpenkennlinien, die auf der Abhängigkeit der Fördermenge Q als Funktion des Regelweges der Pumpen basieren, wird im richtigen, vorge-

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schriebenen stöchiometrischen Verhältnis die Mischvorrichtung einjustiert. Dies geschieht vor Produktionsbeginn. Die Einhaltung der ermittelten Werte kann während der Produktion nicht kontrolliert werden. Der gesamte zeitraubende, aufwendige Testablauf muß deshalb in bestimmten Abständen wiederholt werden, damit eine ausreichende Produktionssicherheit gegeben ist. Diese Testmethode birgt weiterhin einen großen Unsicherheitsfaktor in sich, da die Gewichtsmessung ausschließlich unter Atmosphärendruck vorgenommen wird und dabei Treibmittel wegen seines niedrigen Siedepunktes entweichen kann.

Die heute bereits realisierbare kontinuierliche Volumenstrommessung reicht nicht aus, da bei unterschiedlichen Arbeitsdrücken die Dichten, insbesondere bei gasbeladenen Rohstoffen, stark schwanken und auch Temperaturunterschiede Dichteänderungen nach sich ziehen, was wiederum eine Änderung des Massenstromes zur Folge hat, von einer Volumenstrommessung Jedoch nicht erfaßt wird.

Eine weitere große Störquelle kann durch das Entweichen des Treibmittels aus der Komponente, der es zugesetzt ist, entstehen. In der Regel wird das Treibmittel der Polyolkomponente zugegeben und darin dispergiert. In Mischvorrichtungen, die nach dem Kreislaufverfahren arbeiten, kann bei der Rückströmung der Komponente in den Arbeitsbehälter Treibmittel entweichen, indem es z. B. in das über dem Flüssigkeitsspiegel befindliche Druckgaspolster in Lösung geht oder die Treibmittelgase entweichen an undichten Stellen, wie z. B. an der Rührwerkswellen-Abdichtung des Vorratsbehälters. Unterschiedliche Treibmittelgehalte ziehen Dichteschwankungen nach sich, denn beispielsweise liegt die Dichte des Polyols bei ca. 1 g/cm , diejenige des Treibmittels jedoch bei ca. 1,5 g/cnr.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen durch Berücksichtigung aller

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Einflußfaktoren ein exaktes Dosierverhältnis eingehalten werden kann« das ein fehlerfreies Endprodukt mit den gewünschten Eigenschaften garantiert.

In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß der Komponentenstrom kontinuierlich in einen Hauptstrom und einen Nebenstrom verzweigt wird; daß der Nebenstrom auf den gleichen Arbeitsdruck, unter dem auch der Hauptstrom kurz vor dem Einbringen in die Mischzone steht, gebracht wird; daß der Volumenstrom des Nebenstromes gemessen wird; daß die während eines vorgegebenen ZeitIntervalls durchgelaufene Volumenmenge des Nebenstromes durch Messung ermittelt wird; daß die während des gleichen vorgegebenen Zeitintervalls durchgelaufene Gewichtsmenge durch Wiegen festgestellt wird; daß daraus die Dichte der Komponente als Quotient der Gewichtsmenge und der Volumenmenge ermittelt wird; und daß der Massenstrom des Hauptstromes der Komponente als Produkt der Dichte der Komponente und des Volumenstromes des Hauptstromes ermittelt wird.

Unter Massenstrom ist die pro Zeiteinheit geförderte Menge der Komponente, bezogen auf das Gewicht, zu verstehen.

Die Verzweigung des Komponentenstromes in Hauptstrom und Nebenstrom geschieht vorteilhafterweise vor der Dosierpumpe, d. h. also saugsseitig, so daß der durch die Dosierpumpe zum Mischkopf geförderte Hauptstrom keinen weiteren Einflüssen mehr ausgesetzt ist. Während des Wiegevorganges wird der kontinuierlich fließende Nebenstrom in der Regel in den Vorratsbehälter zurückgeführt. Auch die für das Wiegen periodisch verwendete Gewichtsmenge der Komponente läßt sich rückführen, um Verluste zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß auf diese Weise der Massenstrom fortlaufend ermittelt werden kann und erforderlichenfalls das Dosierverhältnis daraufhin sofort

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nachregulierbar ist. Produktionsunterbrechungen, wie sie früher in Kauf genommen werden mußten, um den Massenstrom neu zu bestimmen, werden völlig vermieden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von einer Vorrichtung ausgegangen, bestehend aus Vorratsbehältern für die Reaktionskomponenten und aus Zuleitungen, die über Dosierpumpen von den Vorratsbehältern zu einem Mischkopf führen, wobei in mindestens einer Zuleitung zwischen Dosierpumpe und Mischkopf ein Volumendurchflußmesser angeordnet ist.

Das Neue ist darin zu sehen, daß vor der Dosierpumpe eine Nebenleitung abzweigt und zu einer Nebenpumpe führt, der ein Volumendurchflußmesser und eine Drossel nachgeordnet sind; und daß hinter der Drossel ein mit zwei Ausgängen versehenes Umschaltventil angeordnet ist, von dessen einem Ausgang eine Rücklaufleitung abführt und von dessen anderem Ausgang eine Verbindungsleitung zu einer Wiegeeinrichtung mit Meßzylinder abführt; und daß in der Zuleitung hinter der Dosierpumpe und in der Nebenleitung hinter der Nebenpumpe Druckmeßeinrichtungen angeordnet sind.

Der Nebenstrom kann und soll im Vergleich zum Hauptstrom relativ klein sein; er soll lediglich so groß sein, daß der Meßzylinder der Wiegeeinrichtung in angemessener Zeit gefüllt werden kann. Eine entsprechend geringe Förderleistung soll die Nebenpumpe aufweisen. Geeignete Pumpen für kleinste Fördermengen sind auf dem Markt erhältlich. Die Nebenpumpe bringt den Nebenstrom zum Zwecke der Volumenstrommessung auf den gleichen Arbeitsdruck wie die Dosierpumpe den Hauptstrom, um gleiche Verhältnisse zu schaffen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Volumendurchflußmesser und die Wiegeeinrichtung über Meßwertwandler mit einem Rechner verbunden. Dadurch ist es möglich, die gemessenen Werte direkt in den

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Rechner einzuspeisen, um unmittelbar das Ergebnis des Massenstromes zu erhalten und mit dem vorgegebenen Sollwert zu vergleichen.

Vorzugsweise sind die Volumendurchflußmesser mit Induktivgebern ausgestattet. Sie eignen sich besonders für die Meßwertübertragung .

Die Wiegeeinrichtung weist vorzugsweise Dehnungsmeßstreifen auf. Eine Dehnung ist ein Maß für das Gewicht der gemessenen Komponentenflüssigkeit. Dehnungsmeßstreifen haben den Vorteil, daß die Bewegung des Meßzylinders nur wenige Tausendstel Millimeter beträgt.

Auch die Druckmeßeinrichtungen arbeiten vorzugsweise mit Dehnungsmeßstreifen.

Besonderes Augenmerk hat die Erfindung auf die Gestaltung der Wiegeeinrichtung gerichtet, die einen geschlossenen Meßzylinder aufweist, der rechteckigen Umfang zeigt und zwischen Rollen senkrecht geführt ist. Weiterhin weist der Meßzylinder im unteren Bereich Zu- und Ablauf für den Nebenstrom der Komponente auf und in den oberen Bereich mündet ein Druckluftanechluß. Weiterhin wird die Komponentenflüssigkeit durch eine darauf schwimmende Platte von dem darüber befindlichen oberen Bereich getrennt.

Zu- und Ablauf erfolgen über biegsame Schläuche. Auch der Druckluftanschluß ist als biegsamer Schlauch ausgebildet. Die Anschlüsse sind so gestaltet, daß sie auf die Wägung keinerlei negativen Einfluß ausüben. Der rechteckige Umfang des Meßzylinders verhindert zusammen mit den Führungsrollen ein Verdrehen.

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In einer Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Ausführungsbeispiel rein schematisch dargestellt und nachstehend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Vorrichtungsteil für eine Komponente,

Fig. 2 die Wiegeeinrichtung in der Seitenansicht,

Fig. 3 die Wiegeeinrichtung gemäß Schnitt A-B in Fig. 2.

Vom Vorratsbehälter 1 führt eine Zuleitung 2 über eine Dosierpumpe 3 zu einem Mischkopf 4. Vor der Dosierpumpe 3 zweigt eine Nebenleitung 5 ab, die einen Absperrhahn 6 aufweist. Zwischen Dosierpumpe 3 und Mischkopf 4 sind eine Druckmeßeinrichtung 7 handelsüblicher Bauart, die mit Dehnungsmeßstreifen 8 arbeitet, ein Volumenstromzähler 9* der mit einem Induktivgeber 10 versehen ist, und ein Umschaltventil 11 vorgesehen. Das Umschaltventil 11 verbindet die Zuleitung 2 einerseits mit der Einspritzdüse 12 des Mischkopfes 4, andererseits mit einer Rücklaufleitung 13, die eine einstellbare Drossel 14 aufweist und die in den Vorratsbehälter 1 zurückführt .

In der Nebenleitung 5 ist eine Nebenpumpe 15 mit sehr geringer Förderleistung angeordnet. Eine mit Dehnungsmeßstreifen 16 versehene Druckmeßeinrichtung 17# ein mit einem Induktivgeber 18 ausgestatteter Volumenstromzähler 19 und eine einstellbare Drossel 20 sind in der genannten Reihenfolge in Strömungsrichtung vor einem Umschaltventil 21 angeordnet. Von dessen einem Ausgang 22 führt eine Rücklaufleitung 23 zum Vorratsbehälter 1. Vom anderen Ausgang 24 führt eine teils aus einem flexiblen Schlauch 25a bestehende Verbindungsleitung 25 in den unteren Bereich 26 eines senkrecht durch Rollen 27 geführten Meßzylinders 28 einer Wiegeeinrichtung 29. Eine weitere, ebenfalls teils aus einem flexiblen Schlauch 30a bestehende Verbindungsleitung 30 mündet über ein Absperrventil 3I in die Rücklaufleitung 23. In den oberen Bereich 32 des Meßzylinders 28 mündet die teils aus einem

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flexiblen Schlauch 33a bestehende Zuleitung 33 einer Druckluftquelle 34. Der mit der Komponentenflüssigkeit gefüllte untere Bereich 26 und der zum Zwecke der Entleerung mit Druckluft beaufschlagbare obere Bereich 32 sind durch eine schwimmende Platte 35 voneinander getrennt. Der Meßzylinder 28, dessen äußerer Umfang zum Verhindern des Verdrehens rechteckig ausgebildet ist, ist an einem Wiegebalken J>6 aufgehängt, der Dehnungsmeßstreifen 37 aufweist. Vom Wiegebalken führt eine Impulsleitung 38 über einen Meßwertwandler 39» der den Meßwert in einen elektronisch verarbeitbaren Impuls übersetzt, zu einem Rechner 40. Dem Rechner 40 wird gleichzeitig der mittels eines Meßwertwandlers 41 umgesetzte Impuls des Volumenstromzählers I9 über die Impulsleitung 42 zugeführt. Aus den beiden zugeführten Werten ermittelt der Rechner 40 nun die Dichte der Komponentenflüssigkeit. Gleichzeitig liefert aber auch der Volumenstromzähler 9 über den in der Impulsleitung 43 angeordneten Meßwertwandler 44 Impulse, die dem pro Zeiteinheit von der Dosierpumpe 3 geförderten Volumenstrom entsprechen. Der Rechner 40 multipliziert nun den Dichtewert mit dem letztgenannten Meßwert und zeigt den von der Dosierpumpe 3 zum Umschaltventil 11 fließenden Massenstrom an. Von den Druckmeßeinrichtungen 7» 17 werden die Meßwerte über Meßwertwandler 45, 46 einem Regler 47 zugeführt, der sie vergleicht, wobei der mit der Druckmeßeinrichtung 7 gemessene Arbeitsdruck als Führungsgröße dient. Bei Abweichungen der Drücke verstellt der Regler 47 über die Impulsleitung 48 und den Servomotor 49 die Drossel 20, bis beide Drücke wieder übereinstimmen.

Ein Steuergerät 50 löst in einstellbaren Zeitperioden fortlaufend Ermittlungsvorgänge aus. Die Zeitperiode entspricht mindestens derjenigen Zeit, die zum Ermitteln des Massenstromwertes durch Füllen, Wiegen und Entleeren des Meßzylinders und durch Rechnen erforderlich ist. Neben dieser automatischen und periodischen Arbeitsweise läßt das Steuergerät 50 auch noch die gelegentliche manuelle Auslösung eines Ermittlungs-

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Vorganges bei Bedarf zu. In diesem Falle sperrt die eingegebene Zeitperiode eine erneute Auslösung, bis jeweils ein Ermittlungsvorgang abgeschlossen ist, damit der laufende Ermittlungsvorgang ungestört bleibt. Ein im Steuergerät 50 angeordneter Zeitintervallgeber 51 dient dem Umstellen des Ventils 21 zum Füllen des Meßzylinders 28. Ein zweiter Intervallgeber 52 ist auf eine Zeitspanne, die mindestens der Entleerungszeit des Meßzylinders 28 entspricht, eingestellt. Das Steuergerät 50 steht über Impulsleitungen 55* 5²^ und Servomotoren 55, 56 mit den Ventilen 21, J51 in Verbindung. Eine weitere Impulsleitung 57 ist mit der Druckluftquelle y\ verbunden, und vom Rechner 40 führt eine Impulsleitung 58 zum Steuergerät 50.

Der Verfahrensablauf, d. h. insbesondere der Vorgang zum Ermitteln des Massenstromwertes, sei nachstehend anhand der vorbeschriebenen Vorrichtung an einem Zahlenbeispiel erläutert:

Die Vorrichtung wird über einen Einschalter (nicht dargestellt) gestartet. Dabei steht das Umschaltventil 11 in der dargestellten Stellung auf Rücklauf, so daß die aus dem Vorratsbehälter 1 zugeführte Polyolkomponente über die Zuleitung 2 und die Rücklaufleitung I3 im Kreislauf gepumpt wird. Die Druckmeßeinrichtung 7 und der Volumenstromzähler 9 beginnen gleichzeitig mit dem Start der Vorrichtung zu arbeiten. Sobald sich im Leitungssystem die Anfahrstörungen beruhigt haben, d. h. etwa nach 10 see, wird das Ventil 11 umgeschaltet, so daß die Polyolkomponente über die Einspritzdüse 12 in den Mischkopf strömt. Die Isocyanatseite der Vorrichtung (nicht dargestellt) arbeitet entsprechend.

Mit dem Start der Vorrichtung strömt das Polyol auch in die Nebenleitung, denn der Absperrhahn 6 ist geöffnet. Dies bedeutet also, daß gleichzeitig mit der Dosierpumpe 3 auch die Nebenpumpe I5 zu fördern beginnt. Die Dosierpumpe 3

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fördert einen Hauptstrom von Q = 50 l/min, während das Fördervolumen der Nebenpumpe I5 weitaus geringer ist und nur 1 l/min beträgt. Druckmeßeinrichtung 17 und Volumenstromzähler 19 arbeiten ebenfalls sofort mit dem Start der Vorrichtung; der Betrieb des Steuergerätes 50 wird um 20 see verzögert. Wie bereits beschrieben, wird vom Regler 47 aus der Druck im Nebenstrom dem Arbeitsdruck im Hauptstrom, der als PUhrungsgröße dient, angepaßt. Diese Überwachung bzw. Anpassung geschieht laufend. Das Steuergerät 50 schaltet 20 see nach Start der Vorrichtung das Ventil 21 auf den Ausgang 24, so daß der untere Bereich 26 des Meßzylinders 28 gefüllt wird. Das Ventil J1 bleibt geschlossen. Das Zeitintervall des Intervallgebers 51 beträgt 12 see. Demnach wird bei der vorgegebenen Fördermenge von 1 l/min der Meßzylinder 28 mit V_n = 0,2 1/12 see gefüllt. Nun wird das Gewicht CL.^Icg/12 sec7 dieser Volumenmenge ermittelt, der Wert im Meßwertwandler 3>9 für den Rechner 40 verarbeitbar gemacht und in diesen eingespeist, ebenso wie der Wert des Volumenstromes V_n = 0,2 1/12 see über den Meßwertwandler 41 eingespeist wird.

Der erste Rechenschritt lautet:

Dichte

kg

sec7

Dieser Wert 9 wird im zweiten Rechenschritt mit dem Wert des Volumenstromes V„ des Hauptstromes vom Rechner 40 multipliziert und ausgewiesen:

Massestrom

kg min

kg dm

x V₁

_minj

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Ist die Gewichtsmessung beendet, d. h. vom Rechner 40 die Dichte ξ» ermittelt, gibt der Rechner 40 dem Steuergerät 50 über die Impulsleitung 58 den Befehl, über Zeitintervallgeber 52, Impulsleitung 54 und Servomotor 56 das Ventil 3I zu öffnen und über Impulsleitung 57 die Druckluftquelle 3>4 anzustellen, um den Meßzylinder 28 zu entleeren und zu reinigen. Nach einem weiteren Zeitintervall, gegeben vom Intervallgeber 52, das der Entleerungszeit des Meßzylinders 28 entspricht, verursacht das Steuergerät 50 wieder die Schließung des Ventils 3I über die Impulsleitung 54 und Servomotor 56. Ist schließlich die dem Steuergerät 50 auferlegte Periodenzeit für den Ermittlungsvorgang abgelaufen, wird durch Umschalten des Ventils 21 auf Ausgang 24 der nächste Vorgang zum Ermitteln des Massenstromes des Hauptstromes eingeleitet.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Herstellen eines schaumstoffbildenden Reaktionsgemisches, insbesondere auf Basis Polyurethan, aus mindestens zwei miteinander reagierenden flüssigen Komponenten, die kontinuierlich einer Mischzone zugeführt und miteinander vermischt werden, wobei der Volumenstrom mindestens einer Komponente kontinuierlich gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Komponentenstrom kontinuierlich in einen Hauptstrom und einen Nebenstrom verzweigt wird;

daß der Nebenstrom auf den gleichen Arbeitsdruck, unter dem auch der Hauptstrom kurz vor dem Einbringen in die Mischzone steht, gebracht wird;

daß der Volumenstrom des Nebenstromes gemessen wird; daß die während eines vorgegebenen Zeitintervalls durchgelaufene Volumenmenge des Nebenstromes durch Messung ermittelt wird;

daß die während des gleichen vorgegebenen Zeitintervalls durchgelaufene Gewichtsmenge durch Wiegen festgestellt wird; daß daraus die Dichte der Komponente als Quotient der Gewichtsmenge und der Volumenmenge ermittelt wird; und daß der Massenstrom des Hauptstromes der Komponente als Produkt der Dichte der Komponente und des Volumenstromes des Hauptstromes ermittelt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus Vorratsbehältern für die Reaktionskomponenten und aus Zuleitungen, die über Dosierpumpen von den Vorratsbehältern zu einem Mischkopf führen, wobei in mindestens einer Zuleitung zwischen Dosierpumpe und Mischkopf ein Volumenstromzahler angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Dosierpumpe (3) eine Nebenleitung (5) abzweigt und zu einer Nebenpumpe (15) führt, der ein Volumenstromzähler (19) und eine Drossel (20) nachgeordnet sind;

daß hinter der Drossel (20) ein mit zwei Ausgängen (22, 24) versehenes Umschaltventil (21) angeordnet ist, von dessen

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einem Ausgang (22) eine Rücklaufleitung (23) abführt und von dessen anderem Ausgang (24) eine Verbindungsleitung (25) zu einer Wiegeeinrichtung (29) mit Meßzylinder (28) abführt; und daß in der Zuleitung (2) hinter der Dosierpumpe (3) und in der Nebenleitung (5) hinter der Nebenpumpe (15) Druckmeßeinrichtungen (7, 17) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenstromzähler (9, 19) und die Wiegeeinrichtung (29) über Meßwertwandler (39, 41, 43) mit einem Rechner (4θ) verbunden sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenstromzähler (9, 19) mit Induktivgebern (10, 18) ausgestattet sind.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiegeeinrichtung (29) einen geschlossenen Meßzylinder (28) aufweist, der rechteckigen Umfang besitzt und zwischen Rollen (27) senkrecht geführt ist; daß der Meßzylinder (28) im unteren Bereich (26) Zu- und Ablauf (25a, 30a) für den Nebenstrom der Komponente aufweist; daß in dem oberen Bereich (32) ein Druckluftanschluß (33a) mündet;

und daß die Komponentenflüssigkeit durch eine darauf schwimmende Platte (35) von dem darüber befindlichen oberen Bereich (32) getrennt ist.

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