DE3720975A1 - Verfahren und vorrichtung zum vermischen eines gases mit einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ent­ sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Beim Herstellen von Formteilen aus Polyurethanschaum hat die Gasbeladung der Reaktionskomponenten einen wesentlichen Einfluß auf die Schaumstruktur und Qualität der Formteile. Gelöste Gase sowie eingeschlagene Gasblasen verändern die Viskosität und Dichte des Komponentengemisches. Die Gasbe­ ladung beeinflußt somit nicht nur die Mischungsgüte und die Maschinen­ einstellung, sondern durch den in der Form ablaufenden Entgasungsvorgang und die hiermit verbundene Keimbildung des Schaumvorgangs auch die Dichte­ verteilung und Oberflächenqualität der Formteile. Für die Herstellung eines qualitativ guten Schaumes muß in wenigstens einer Reaktions­ komponente eine Mindestmenge an Gas enthalten sein. Dies gilt sowohl für Weichschaum als auch für Hart- und Integralschaum.

Aus der DE-OS 35 14 838 ist es bekannt, zum Vermischen eines Gases mit einer Flüssigkeit und zum Steuern der Menge des mit der Flüssigkeit zu vermischenden Gases eine Wirbelbewegung in der Flüssigkeit zu erzeugen und aufgrund dieser Wirbelbewegung das Gas an der Oberfläche der Flüssigkeit in die Flüssigkeit einzuführen. Die Menge des mit der Flüssigkeit zu ver­ mischenden Gases wird dabei durch Steuern der Drehzahl sowie der Umlauf­ richtung eines mit Schaufelblättern, Turbinenblättern, Propellerblättern o.ä. ausgestatteten Rührwerkzeuges geregelt. Die danach in den Reaktions­ komponenten erzielbaren Gasblasengrößen reichen jedoch im allgemeinen nicht aus, um das Aufsteigen und das Entweichen der Blasen an der Flüssig­ keitsoberfläche in größerem Umfang zu vermeiden bzw. um hohe dispergierte Gasgehalte in den Komponenten zu gewährleisten, insbesondere dann, wenn diese über längere Zeit in Behältern vorrätig gehalten werden müssen. Darüber hinaus sind zum Einführen des Gases in die Flüssigkeit verhältnis­ mäßig große Umfangsgeschwindigkeiten des Rührwerkzeuges erforderlich, welche entsprechend starke Umwälzungen der Flüssigkeit nach sich ziehen, so daß im Behälter Strömungen entstehen, die den Einschlag eines breiten Spektrums von Blasengrößen bewirken, wovon die größeren Gasblasen schneller zum Flüssigkeitsspiegel aufsteigen. Es entsteht in vertikaler Richtung eine ungleichmäßige Verteilung der Gasblasen in der Flüssigkeit, welche in höchstem Maße unerwünscht ist.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen es auf einfache Weise möglich ist, Gas mit einer Flüssigkeit zu vermischen und das Gas besonders gleichmäßig in der Flüssigkeit zu verteilen.

Verfahrenstechnisch wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.

Erfindungsgemäß wird mit vergleichsweise geringem Aufwand und sehr wir­ kungsvoll Gas einer Flüssigkeit durch das Zusammenwirken eines mit geringer Frequenz rotierenden großen Rührwerkzeuges mit einem kleinen mit hoher Frequenz, insbesondere mit einer Frequenz von 1000 bis 7000 min^-1, vorzugsweise 4000 bis 7000 min^-1 rotierenden Dispergierrorgan zugemischt und in der Flüssigkeit verteilt. Auf diese Weise werden sehr kleine Gasblasen erzeugt, die nur langsam im Flüssigkeitsbehälter aufsteigen. Es sind somit auch sehr hohe Gasgehalte in der Flüssigkeit erreichbar, wie sie zur Vermeidung von Oberflächenstörungen ("Sink-Marks" bzw. "Hammer­ schlag") der Formteile notwendig sind.

Weiterhin werden durch die langsame Drehbewegung des Rührwerkzeuges und die hieraus resultierende geringe Strömungsgeschwindigkeit in axialer Richtung des Behälters vom Flüssigkeitsspiegel zum Ablauf des Behälters hin die größeren Gasblasen nicht zum Ablauf mitgenommen, da sie entgegen dem Flüssigkeitsstrom zum Flüssigkeitsspiegel aufsteigen. Daher gelangen nur kleine Gasblasen, beispielsweise solche mit einem Duchmesser von weniger als 1 mm bis zum Ablauf, so daß Fehler in den Formteilen durch eingeschlagene große Gasblasen vermieden und eine feinzellige Schaum­ struktur und eine gleichmäßige Dichteverteilung im Formteil erreicht werden.

Neben den Vorteilen große Gasgehalte und kleine Gasblasen kommt der Tatsache, daß die Durchführung der Gaseinmischung nur mit geringer Erwärmung der Flüssigkeit verbunden ist, bei der praktischen Anwendung große Bedeutung zu. Die Temperierung von Reaktionskomponenten für die Herstellung von Kunststoffen auf Basis Polyurethan ist aufgrund der höheren Viskosität dieser Flüssigkeiten stets besonders kritisch, da der Wärmeaustausch zwischen dem Temperiermedium und der Komponente deutlich langsamer, somit ineffektiver geschieht, als bei wäßrigen Komponenten. Die Kombination von kleinem, schnell drehenden Dispergierorgan mit großem, langsam drehenden Rührwerkzeug erzeugt einen nur geringen Wärmestrom.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die aus einem im wesentlichen zylindrischen Behälter mit vertikaler Achse und einem von oben in den Behälter geführten zentralen Rührwerkzeug besteht und gekennzeichnet ist durch ein im Verhältnis zur Behälterachse exzentrisch angeordnetes Dispergierorgan, wobei das Disper­ gierorgan mit höherer Drehzahl als das Rührwerkzeug antreibbar ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 bis 6.

Als Dispergierorgan eignen sich beispielsweise Scheibenrührer oder sogenannte Dissolver. Für die Geometrie des langsam drehenden Rührwerk­ zeuges kommen alle Formen in Betracht, die auch bisher schon zur Homo­ genisierung und zur Temperierung in Flüssigkeitsbehältern eingesetzt werden. Die Größe des Dispergierorgans liegt deutlich unter der des Rühr­ werkzeuges. Während das Rührwerkzeug etwa 1/3 bis 2/3 des Behälterdurch­ messers umfaßt, beträgt der Durchmesser des Dispergierorgans weniger als etwa 1/5 des Rührwerkzeugdurchmessers. Die Drehzahl des Rührwerkzeuges liegt im allgemeinen unter 500 min^-1; vorzugsweise bei 100 bis 200 min^-1. Die Drehzahl des Dispergierorgans ist im allgemeinen größer als 1000 min^-1; sie beträgt vorzugsweise etwa 4000 bis 7000 min^-1.

Besonders große Gasgehalte und kleine Gasblasen werden in der Flüssigkeit dann erhalten, wenn das Dispergierorgan etwa 20 bis etwa 30 mm unterhalb des Flüssigkeitsspiegels, der sich einstellt, wenn nicht gerührt wird und noch kein dispergiertes Gas in der Flüssigkeit vorliegt, angeordnet ist. Dabei ist zu beachten, daß wenn dem Behälter unter Produktionsbedingungen Teilmengen entnommen werden, diese unverzüglich auszugleichen sind, d.h. das Dispergierorgan kann nur dann optimal zur Geltung gebracht werden, wenn im Behälter die Füllstandshöhe und die Position des Dispergierorgans nur in dem vorgegebenen Bereich voneinander abweichen. Für die Entnahme größerer Teilmengen kann das Dispergierorgan höhenverstellbar, auf dem Behälterinhalt schwimmend gelagert, oder in einer Tauchglocke angebracht sein.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert.

Im wesentlichen besteht die Vorrichtung aus einem zylindrischen Behälter (1) mit vertikaler Achse und einem von oben in den Behälter geführten zentralen Rührwerkzeug (2), welches durch wenigstens zwei Flügel gebildet ist. Der Behälter enthält eine Flüssigkeit, beispielsweise eine Reaktionskomponente für die Herstellung von Kunststoffen auf Basis Polyurethan. Die Füllstandshöhe ist angedeutet. Es befindet sich ein Gas, z.B. trockene Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid auf und oberhalb der Flüssigkeit.

Im Bereich des Flüssigkeitsspiegels ist ein im Verhältnis zur Behälter­ achse exzentrisch angeordnetes Dispergierorgan (3) vorgesehen. Mit Hilfe der Antriebsmotoren (4) und (5) werden das Rührwerkzeug und das Disper­ gierorgan in eine Drehbewegung versetzt und es wird in der Flüssigkeit eine wirbelnde Bewegung erzeugt, durch die das auf der Oberfläche der Flüssigkeit befindliche Gas in die Flüssigkeit eingeführt und homogen verteilt wird. Mit (6) ist eine Zuführleitung für die Flüssigkeit und mit (7) ist ein verschließbarer Auslaßstutzen zum Austragen des Flüssig­ keits-Gas-Gemisches bezeichnet.

Gemäß Fig. 1 wird die Entnahme des Flüssigkeits-Gas-Gemisches mit Hilfe einer Füllstandssonde (8) überwacht. Findet eine Entnahme statt, so wird, geregelt über eine Pumpe (9), unverzüglich Flüssigkeit in den Behälter (1) nachgefüllt, so daß der einmal eingestellte Füllstand sich im Rahmen der Regelgenauigkeit nicht ändert. Das Dispergierorgan (3) kann somit fest installiert sein.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist eine Änderung des Füll­ standes im Behälter (1) möglich. Dabei wird ebenfalls über die Sonde (8) die Entnahme des Flüssigkeits-Gas-Gemisches überwacht; das entsprechende Meßsignal jedoch zur Regelung der Position des Dispergierorgans (3) ver­ wendet. Die Einstellung der Position des Dispergierorgans erfolgt hydrau­ lisch oder pneumatisch, indem die das Dispergierorgan antreibende Hohl­ welle (10) durch Einspeisen oder Absaugen von Hydrauliköl bzw. Luft ange­ hoben oder abgesenkt wird. Elektrisch oder mechanisch betätigbare Ver­ stelleinrichtungen sind ebenfalls denkbar.

Das Dispergierorgan (3) kann auch auf dem Behälterinhalt schwimmend gelagert sein (Fig. 3). Um dabei die Dimension des aus Dispergierorgan und Antriebsmotor (5) bestehenden Schwimmkörpers möglichst gering zu halten, wird dessen Gewicht über ein Gegengewicht (11) kompensiert. Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Halterung arretiert den Schwimmkörper gegen ein Mitrotieren mit der von dem Rührwerkzeug (2) umgewälzten Flüssigkeit. Bei dieser Konstruktion kann auf eine Füllstandsmessung und auf eine Regelung verzichtet werden und es lassen sich bereits installier­ te Behälter besonders leicht nachrüsten.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist in dem Behälter (1) eine Tauchglocke (12) vorgesehen, die das Dispergierorgan (3), eine Füllstands­ sonde (8) sowie eine Gaspumpe (13) enthält. Die Gaspumpe fördert, über das Meßsignal der Sonde (8) geregelt, soviel Gas in die Tauchglocke ein, wie zur Einstellung des unter der Tauchglocke befindlichen Flüssigkeits­ spiegels notwendig ist. Somit bleibt nur der Flüssigkeitsspiegel unter der Tauchglocke konstant, während der Flüssigkeitsspiegel im Behälter in weitem Rahmen variieren kann, solange er das Niveau des Flüssigkeits­ spiegels unter der Tauchglocke nicht unterschreitet.

Claims (6)

1. Verfahren zum Vermischen eines Gases mit einer Flüssigkeit, insbe­ sondere mit einer Reaktionskomponente für die Herstellung von Schaum­ stoffen auf Basis Polyurethan, bei dem in einem Flüssigkeitsbehälter durch die Drehbewegung eines Rührwerkzeuges eine wirbelnde Bewegung in der Flüssigkeit erzeugt und auf der Oberfläche der Flüssigkeit befind­ liches Gas in die Flüssigkeit eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeits-Gas-Gemisch mittels eines mit einer Frequenz von 1000 bis 7000 min^-1 rotierenden Dispergierorgans örtlichen Druck­ schwankungen ausgesetzt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem im wesentlichen zylindrischen Behälter (1) mit vertikaler Achse und einem von oben in den Behälter geführten zentralen Rührwerk­ zeug (2), gekennzeichnet durch ein im Verhältnis zur Behälterachse exzentrisch angeordnetes Dispergierorgan (3), wobei das Dispergier­ organ mit höherer Drehzahl als das Rührwerkzeug (2) antreibbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Disper­ gierorgan (3) als Scheibenrührer oder dergleichen ausgebildet und bezogen auf den Behälterinhalt etwa 20 mm bis etwa 30 mm unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergierorgan (3) höhenverstellbar ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergierorgan (3) auf dem Behälterinhalt schwimmend gelagert ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergierorgan (3) in einer Tauchglocke (12) angebracht ist.