DE4129669A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen behandlung von viskosem material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierli­ chen Behandeln von viskosem, insbesondere hochviskosem, Material.

Die Vorrichtung dient zum Entfernen flüchtiger Substanzen aus hochviskosem Materialien durch kontinuierliches Rühren und insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung von kondensierten Polymerisaten wie Polyethylenterephthalat durch Massenpolymerisation.

Bei Vorrichtungen zum kontinuierlichen Rühren von viskosem Material mit einer Viskosität von mehr als mehreren tausend Pa.s und zum Entfernen von flüchtigen Substanzen daraus, während gleichzeitig die Kondensationspolymerisationsreak­ tion durchgeführt wird, ist es erforderlich, den toten Raum in der Vorrichtung auf ein Minimum zu reduzieren, den Materialstrom in einem extrudierbaren Zustand zu halten und für eine gute Oberflächenerneuerbarkeit zu sorgen. Wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, werden für diesen Zweck beim Stand der Technik Scheibenblätter 10 vorgesehen, die in mehreren Stufen so angeordnet sind, daß die gesamte innere Oberfläche eines Behälters 1 beaufschlagt werden kann, um den toten Raum zu verringern. Wenn jedoch die Viskosität der Flüssigkeit bei der Behandlung auf einen Wert von mehreren tausend Pa.s oder mehr ansteigt, haftet die Flüssigkeit an den Oberflächen der Wellen 12a, 12b und der Scheibenblätter 10 und fließt nicht mehr glatt oder weich. Bei zunehmender Betriebszeit nimmt die Menge der Masse zu, die sich zusammen mit den Wellenoberflächen dreht, was zu einer Verkrustung und Verschlechterung der Produktqualität führt.

Um dies zu vermeiden, werden gemäß JP-A-1 12 624/1987 und JP-A-1 12 623/1987 Vorrichtungen eingesetzt, bei denen die Wellen weggelassen sind und die Rührblätter anstelle von Plattenelementen aus stabförmigen Elementen bestehen. Wie in Fig. 9 und 10 gezeigt ist, hat eine solche Vorrichtung zwei Sätze von rotierenden Flügelwellen 2a, 2b, die par­ allel an den Längsstirnseiten eines zylindrischen Behälters 1 in Lagern 5 gelagert sind. Zwischen den beiden drehenden Flügelwellen 2a des einen Satzes ist auf der gleichen Achse ein Rührerblatt 4 vorgesehen, welches aus einer Vielzahl von Rechtecksstangenrahmen mit Längselementen 3a und radia­ len Elementen 4a besteht, die in Längsrichtung verbunden sind und um einen bestimmten Phasenwinkel voneinander verschoben sind. Zwischen den beiden rotierenden Flügelwel­ len 2b des anderen Satzes ist ebenfalls ein Rührerblatt 3 des gleichen Aufbaus mit Längselementen 3b und radialen Elementen 4b vorgesehen. Die beiden Sätze von Flügelwellen 2a, 2b sind in einem bestimmten Abstand horizontal vonein­ ander angeordnet, während die Rührerblätter 3, 4 in einer speziellen Phasenbeziehung zueinander positioniert sind. Die beiden Sätze von drehenden Flügelwellen 2a, 2b werden in entgegengesetze Drehrichtungen gedreht, wie dies durch die Pfeile 20 veranschaulicht ist. Die Rührerblätter 3, 4 an der unteren Seite der Mitten der drehenden Flügelwellen 2a, 2b sind so angeordnet, daß der Spalt zwischen ihren Enden und der inneren Oberfläche des Behälters 1 klein und gleichförmig ist. Die Rührerblätter 3, 4 sind einfache Träger, die an den Enden durch Lager abgestützt sind, die an den Abschnitten der rotierenden Flügelwelle 2a, 2b installiert sind.

Wenn die Menge des zu behandelnden Materials zunimmt und die Vorrichtung groß wird, nimmt auch die Distanz zwischen den Lagern zu, welche die Enden der sich drehenden Flügel­ welle lagern. Dies führt zu einer Steigerung des Gewichts der Rührerblätter und zu einer Durchbiegung der Blätter aufgrund des Rührdrehmoments. Insbesondere dann, wenn ein hochviskoses Material gerührt werden muß, führt die Zunahme des Rührdrehmoments zu einer Durchbiegung der Blätter, die unannehmbar groß wird.

Zur Unterbindung des Kontakts zwischen den Blättern und der Innenfläche des Behälters ist es vorstellbar, den Spalt zwischen den Blättern und der Innenfläche des Behälters zu steigern und die Elemente, welche die Rührerblätter bilden, größer auszubilden. Eine Vergrößerung des Spalts verringert jedoch die Fähigkeit, das zu behandelnde Material, das an der inneren Wand des Behälters haftet, abzustreifen, ver­ schlechtert also die Reinigungsfähigkeit, was die Qualität der erhaltenen Polymere reduziert. Ein vergrößerter Durch­ messer der Elemente erhöht die Menge des zu behandelnden Materials, die an den Blättern haftet, was die Qualität des Polymerisatprodukts verschlechtert. Es ist deshalb erfor­ derlich, einen neuartigen Plattenaufbau zu finden, der die Durchbiegung der Blätter auf ein Minimum reduziert und bei welchem der Spalt zwischen der Innenfläche des Behälters und den Blättern nicht unnötig groß wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht des­ halb darin, die Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von viskosem, insbesondere hochviskosem Material so auszu­ bilden, daß sie, auch in großer Ausführung, den extrudier­ baren Strömungszustand aufrecht erhalten und die Oberflä­ chenerneuerbarkeit des Materials auf einem Wert halten kann, der wenigstens gleich dem der herkömmlichen Vorrichtung ist, und gleichzeitig die Fähigkeit zum Abstreifen des Materials von der Innenfläche des Behälters zur Produktqua­ litätsverbesserung gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Vorrichtung zum kontinuierlichen Behandeln von viskosem, insbesondere hochviskosem Material nach dem Patentanspruch 1 gelöst, wobei diese Merkmale in den Ansprüchen 2 und 3 vorteilhaft weitergebildet sind.

Erfindungsgemäß werden somit Verstärkungselemente an zwei Positionen zwischen den gegenüberliegenden radialen Teilen der benachbarten Rechtecksrahmen auf der gleichen Ebene so angeordnet, daß sie sich parallel und symmetrisch zu der Rotationsmittellinie der Flügeldrehwellen auf der gleichen Achse erstrecken.

Der Durchmesser des Verstärkungselements wird so bestimmt, daß die Extrudierbarkeit und die Oberflächenerneuerbarkeit des Materials gegenüber denen der herkömmlichen Vorrichtung nicht verschlechtert sind.

Mit den Verstärkungselementen kann die Biegung der Rührer­ blätter auf ein Minimum reduziert werden. Ferner kann der Spalt zwischen der inneren Oberfläche des Behälters und der Blätter verringert werden, wodurch die Qualität des hoch­ viskosen Materialprodukts verbessert wird.

Anhand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,

Fig. 2 den Schnitt 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 perspektivisch die Rührerblätter,

Fig. 4 die Rührwirkung der im Querschnitt dargestellten Rührerblätter, wobei die Verstärkungselemente am äußersten Umfang der radialen Elemente angeordnet sind,

Fig. 5 in einer Ansicht wie Fig. 4 die Rührwirkung, wobei die Verstärkungselemente in der Mitte zwischen dem äußersten Umfang der radialen Elemente und dem Rotationszentrum angeordnet sind,

Fig. 6 in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Stel­ lung der Verstärkungselemente, der Durchbiegung der Rührerblätter und der stagnierenden Materialmenge,

Fig. 7 eine erste Ausführung einer bekannten Vorrichtung im Querschnitt,

Fig. 8 den Schnitt 8-8 von Fig. 7,

Fig. 9 eine zweite Ausführung einer bekannten Vorrichtung in einer teilweise geschnitten Seitenansicht und

Fig. 10 den Schnitt 10-10 von Fig. 9.

Bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform hat die Vorrichtung zum Rühren einen zylindrischen Behälter 1, der horizontal angeordnet ist und den in Fig. 2 gezeigten Querschnitt aufweist. Der Behälter 1 hat einen Einlaßstut­ zen 6 für das zu behandelnde Material an der Unterseite seines einen Endabschnitts und einen Auslaßstutzen 9 für die behandelte Flüssigkeit an der Unterseite seines anderen Endabschnitts sowie einen Auslaßstutzen 8 für flüchtige Substanzen an seiner Oberseite.

Bei der Vorrichtung für eine Behandlung durch Rühren wird das zu behandelnde Material über den Einlaßstutzen 6 zu­ geführt und durch die Blätter des Rechtecksrahmens gemischt und gerührt und anschließend kontinuierlich über den Aus­ laßstutzen 9 abgezogen, während gleichzeitig in dem Behäl­ ter erzeugte flüchtige Substanzen über den Auslaßstutzen 8 abgeführt werden. Die in dem Behälter 1 enthaltene Materi­ almenge entspricht in etwa der Hälfte des Gesamtvolumens des Behälters 1. Das Material am Boden des Behälters 1 wird durch die Rührerblätter 3, 4 gerührt, die aus radialen Elementen 4a, 4b und Längselementen 3a, 3b bestehen und so die Flüssigkeiten im oberen und unteren Teil des Behälters 1 mischen. Während des Rührens in Radialrichtung, die senkrecht zur Längsrichtung ist, wird Material in Längs­ richtung transportiert. Während dieses Vorgangs schreitet die Reaktion des Materials fort. Ferner sind nebeneinander rotierende Flügelwellen 2a und 2b angeordnet, die in Längs­ richtung durch die Stirnseiten des Behälters 1 hindurch­ gehen. Die Flügelwellen 2a und 2b sind in Lagern 5 an den Stirnseiten des Behälters 1 der Rührvorrichtung gelagert. Die rotierende Flügelwelle 2a oder 2b ist an ihrem einen Ende mit einer nicht gezeigten Antriebseinheit verbunden. Zwischen den beiden rotierenden Flügelwellen 2a, die auf der gleichen Achse liegen, ist eine Vielzahl von Rührer­ blättern 3, 4 vorgesehen, die miteinander längs der Längs­ richtung über den zentralen Abschnitt der radialen Elemente 4a verbunden sind. Die Rührerblätter 3, 4 sind Rechtecks­ rahmen, von denen jeder aus zwei Längselementen 3a und aus zwei radialen Elementen 4a besteht, wobei benachbarte Blätter um 90° zueinander versetzt sind.

In gleicher Weise ist zwischen den anderen rotierenden Flügelwellen 2b auf der gleichen Achse eine Vielzahl von Rührerblättern 3, 4 vorgesehen, die miteinander in der Längsrichtung durch den zentralen Abschnitt der radialen Elemente 4b verbunden sind. Die Rührerblätter 3, 4 sind Rechtecksrahmen, von denen jeder aus zwei Längselementen 3b und zwei radialen Elementen 4b besteht und die so angeord­ net sind, daß benachbarte Blätter um 90° entfernt sind.

Die radialen Elemente 4a, 4b der beiden Rührerblätter 3, 4 befinden sich bezüglich der Längsrichtung in der gleichen Position, sind aber um 45° voneinander verschoben. Die Lagebeziehung zwischen den beiden Rührerblättern 3, 4 und den Längen der radialen Elemente 4a, 4b sind so bestimmt, daß die Längselemente 3a von einem Rührerblatt 3 durch Dre­ hung nahe zum Drehzentrum des anderen Rührerblattes 4 gelangen können und daß sie einen kleinen und gleichförmi­ gen Spalt bezüglich der Innenwand des Behälters 1 unter dem Zentrum des Rührerblattes 3 bzw. 4 aufrecht erhalten kön­ nen. Die Rührerblätter 3, 4 werden in entgegengesetzte Richtungen gedreht, d. h. gesehen von oben drehen sie sich von der Mitte des Behälters 1 zur Außenseite, wie dies durch die Pfeile 20 veranschaulicht ist.

Gemäß Fig. 3 sind zwischen den benachbarten Rechtecksrahmen Verstärkungselemente 7a, 7b vorgesehen, die in der gleichen Ebene liegen, so daß sie symmetrisch bezüglich der Mittel­ linie der drehenden Flügelwellen 2a, 2b auf der gleichen Achse positioniert sind und sich parallel zu den Längs­ elementen 3a, 3b zwischen den gegenüberliegenden radialen Elementen 4a, 4b jener Rechtecksrahmen erstrecken. Es bestehen die folgenden Einschränkungen für die Anordnungs­ positionen der Verstärkungselemente 7a, 7b.

Auf die Rührerblätter 3, 4 wirkt ein Drehmoment in der Längsrichtung der Bauelemente aufgrund ihres Eigengewichts und des Rührdrehmoments ein. Das heißt mit anderen Worten, daß, je länger der Abstand zwischen den Lagern der Rührer­ blätter 3, 4 und je größer die Rührerblätter 3, 4 sind, was das Resultat der gesteigerten Menge des zu behandelnden Materials ist, desto größer wird das Biegemoment.

Damit die Rührerblätter 3, 4 dem gesteigerten Biegemoment widerstehen können, kann man eine Vergrößerung des Durch­ messers der Bauelemente des Rechtecksrahmens in Betracht ziehen, um die Festigkeit der Elemente zu verstärken. Dies würde jedoch die Materialmenge vergrößern, die an den Elementen anhaftet, wodurch die Produktqualität verschlech­ tert würde. Erfindungsgemäß werden deshalb die Verstär­ kungselemente 7a und 7b zwischen den Bauelementen der Rechtecksrahmen vorgesehen, um die Durchmesser der Bauele­ mente zu verringern. Um die Durchbiegung der radialen Elemente 4a, 4b des Rechtecksrahmens auf ein Minimum zu reduzieren, muß das Biegemoment, welches auf die radialen Elemente 4a, 4b wirkt, verringert werden. Aus diesem Grund werden die Verstärkungselemente 7a, 7b an dem äußersten Umfang des Rechtecksrahmens vorgesehen, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Es hat sich gezeigt, daß dabei die Effektivi­ tät der Längselemente 3a, 3b des Rechtecksrahmens der Rührerblätter 3, 4, die das Material 15 wegziehen, jedoch gering ist, so daß die gewünschte Rührleistung nicht er­ reicht wird.

Wenn die Position der Verstärkungselemente 7a, 7b vom äußersten Umfang zu einer radial inneren Position geändert wird, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, ist die Längsdurch­ biegung des radialen Elements 4a, 4b, obwohl sie etwas ansteigt, noch kleiner als wenn kein Verstärkungselement benutzt würde. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, tritt die Wirkung der Längselemente 3a, 3b, nämlich das Material wegzuziehen, ein, so daß eine gute Rührleistung erreicht wird.

Eine Verschiebung der Verstärkungselemente 7a, 7b zu den Rotationszentren hin, steigert zwar die Rühreffektivität weiter, verringert jedoch den Zwischenraum zwischen den Verstärkungselementen 7a, 7b und dem Rechtecksrahmen, was zu einer erhöhten Stagnation des zu behandelnden Materials beiträgt. Deshalb werden die Verstärkungselemente 7a, 7b am besten im Bereich zwischen dem 1/2 und 1,0-fachen der Länge der radialen Elemente 4a, 4b angeordnet, wie es sich aus dem Diagramm von Fig. 6 ergibt. In diesem Diagramm sind auf der Ordinate die Durchbiegung und die Menge des stagnieren­ den Materials in Pfeilrichtung zunehmend aufgetragen. Auf der Abszisse ist die radiale Position des Verstärkungs­ elements als Verhältnis der Entfernung vom Drehzentrum bezogen auf den Radius des Rechtecksrahmens aufgetragen, wobei X das Drehzentrum des Rechtecksrahmens und Y die Position am äußersten Umfang darstellen. Die Kurve 21 veranschaulicht den Verlauf der Menge des stagnierenden Materials zwischen dem Rechtecksrahmen und den Verstär­ kungselementen, die Linie 22 die Biegung des radialen Elements.

Wenn mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein kondensier­ tes Polymer, wie Polyephtylenterephthalat, kontinuierlich ausgebildet wird, wird ein Zwischenpolymerisatprodukt mit einer Viskosität von mehreren hundert Pa·s kontinuierlich über den Einlaßstutzen 6 zugeführt. Der Behälter 1 ist auf 260 bis 350°C erwärmt. Mit dem Auslaßstutzen 8 für flüchti­ ge Substanz ist eine nicht gezeigte druckreduzierende Vor­ richtung verbunden, um den Innenraum des Behälters 1 auf einem Vakuum von etwa 10 bis einige hundert Pa zu halten. In dem Behälter 1 wird das Zwischenpolymerprodukt gemischt und gerührt, um flüchtige Substanzen wirksam zu verdampfen, die während des Reaktionsprozesses erzeugt werden. Die flüchtigen Substanzen werden aus dem Behälter 1 abgeführt, um die Beschleunigung der Kondensationspolymerisations­ reaktion zu unterstützen. Wenn sich das Material während der Behandlung zu dem Auslaßstutzen 9 bewegt, nehmen das Molekulargewicht und die Viskosität des Materials zu. Das behandelte Material, das aus dem Behälter 1 austritt, hat eine Viskosität in der Größenordnung von 5 bis 10 kPa·s.

In einem derart hohen Viskositätsbereich haftet das Polyme­ risat leicht an der Innenwand des Behälters 1. Um dieses Problem zu lösen, sind die Längselemente 3a, 3b so gestal­ tet, daß sie bei der Drehung nahe an die Innenwand gelan­ gen, um das anhaftende Polymer von der Innenwand abzustrei­ fen, wodurch verhindert wird, daß die Flüssigkeit während der Behandlung an der inneren Wand verbleibt. Dies stabili­ siert die Qualität des Polymers. Wenn die Materialmenge, die an der Innenwand anhaftet, zunimmt, wird das Molekular­ gewicht des polymeren Produkts, das aus dem Behälter 1 abgeführt wird, ungleichförmig, was die Qualität des Pro­ dukts verschlechtert.

Bei der beschriebenen Ausführung sorgen die Verstärkungs­ elemente 7a, 7b dafür, daß die Durchbiegung der Elemente, die durch die Rotation der Rührerblätter 3, 4 verursacht wird, verringert wird, wodurch es wiederum möglich ist, den Spalt zwischen den Längselementen 3a und 3b und der Innen­ wand des Behälters 1 klein auszubilden. Deshalb kann die Materialmenge, die an der Innenfläche des Behälters 1 haftet, auf ein Minimum reduziert werden, wobei jedoch ein kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung gewährleistet ist, ohne daß die Qualität des polymeren Produkts verschlechtert wird.

Erfindungsgemäß kann somit die gesamte Durchbiegung des rotierenden Elements kleingehalten werden, auch wenn die Vorrichtung groß gestaltet ist. Dadurch ist die gewünschte Extrudierbarkeit und Oberflächenerneuerbarkeit der behan­ delten Flüssigkeit gewährleistet. Ferner werden die Rührer­ blätter 3, 4 davon abgehalten, in Kontakt mit dem Behälter 1 zu gelangen. All dies gewährleistet eine verbesserte Qualität der hochviskosen Produkte.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von visko­ sem, insbesondere hochviskosem Material

• - mit einem zylindrischen Behälter (1), der horizontal angeordnet ist und einen kreisähnlichen Querschnitt hat,
• - mit zwei Sätzen von drehbaren Flügelwellen (2a, 2b), die nebeneinander angeordnet sind, in Längsrichtung durch die Stirnseiten des Behälters (1) hindurchgehen und in Lagern (5) an den Stirnseiten des Behälters (1) gelagert sind,
• - mit einer Vielzahl von Rechtecksrahmen, die zwischen den beiden drehbaren Flügelwellen (2a, 2b) auf der gleichen Achse angeordnet sind, wobei jeder Rechtecks­ rahmen aus zwei Längselementen (3a, 3b) und zwei radialen Elementen (4a, 4b) besteht und die Recht­ ecksrahmen miteinander durch die zentralen Abschnitte der radialen Elemente (4a, 4b) derart verbunden sind, daß die Rechtecksrahmen um 90° voneinander verschoben sind, und
• - mit zwei Rührerblättern (3, 4), von denen jedes aus einer Vielzahl von Rechtecksrahmen besteht und die so angeordnet sind, daß die Ebenen, die die entsprechen­ den Rechtecksrahmen der beiden Rührerblätter (3, 4) einschließen, um 45° entfernt sind, und daß die Längs­ elemente (4a, 4b) des einen Rührerblatts durch Rota­ tion in die Nähe des Rotationszentrums des anderen Rührerblatts gelangen,

gekennzeichnet durch

• - Verstärkungselemente (7a, 7b), die zwischen den gegen­ überliegenden radialen Elementen (4a, 4b) der benach­ barten Rechtecksrahmen des gleichen Rührerblattes auf der gleichen Ebene so vorgesehen sind, daß sie sich parallel zu der Rotationszentrumslinie der rotierenden Flügelwellen (2a, 2b) auf der gleichen Achse erstrec­ ken,
• - wobei die Verstärkungselemente (7a, 7b) mit den radia­ len Elementen (4a, 4b) derjenigen benachbarten Recht­ ecksrahmen verbunden sind, die sich an Positionen in­ nerhalb einer Hälfte des Radius der radialen Elemente (4a, 4b) vom äußersten Umfang des Rechtecksrahmen aus befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstärkungselemente (7a, 7b) mit den radialen Elementen (4a, 4b) an der äußersten Umfangsposition der Rechtecksrahmen verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rührerblätter (3, 4) und die Verstärkungselemente (7a, 7b) als stangenförmige Elemente ausgebildet sind.