DE962052C

DE962052C - Verfahren zur Gewinnung fester Koerper durch Umwandlung von Gemischen aus miteinander unter Gelbildung reagierenden Feststoffen und einer Fluessigkeit durch Waermezufuhr aus der Dampfphase der Fluessigkeit und Trocknen in ein und demselben Reaktionsraum

Info

Publication number: DE962052C
Application number: DEO743A
Authority: DE
Inventors: Neo S Serinis
Original assignee: Owens Illinois Glass Co
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1947-01-16
Filing date: 1950-06-24
Publication date: 1957-04-18

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 18. APRIL 1957

O743lVc/8ob

Die Erfindung geht von dem Verfahren zur Gewinnung fester Körper durch Umwandlung von Gemischen aus miteinander unter Gelbildung reagierenden Feststoffen und einer Flüssigkeit durch Wärmezufuhr aus der Dampfphase der Flüssigkeit und Trocknen in ein und demselben Reaktionsraum aus und bezweckt in erster Linie eine solche Durchbildung des Verfahrens, daß mit einfachen betrieblichen und apparativen Mitteln Erzeugnisse hergestellt werden können, die selbst bei hoher Porosität, also niedriger scheinbarer Dichte, eine durchweg einheitliche Struktur und hohe Formbeständigkeit besitzen.

Das klassische Anwendungsgebiet dieses chemischen Verfestigungsverfahrens ist die Kunstsandsteinindustrie, der Michaelis vor rund 75 Jahren die Grundlehre gab, Sand oder eine andere Kieselsäuremodifikation mit 10 bis 40 Gewichtsprozent Erdalkalihydrat innig zu mischen, das Gemisch zu formen und alsdann unmittelbar der Einwirkung hochgespannter Dämpfe in geeigneten Apparaten bei Temperaturen von 130 bis 300⁰ C auszusetzen. Hierdurch entsteht innerhalb weniger Stunden eine steinharte, luft- und wasserbeständige Masse aus Erdalkalihydrosilikat. Zwar wurde im Lauf der Zeit dieser Arbeitsprozeß insbesondere

durch wirtschaftliche Verbesserung in der Dampfund Wärmezufuhr verfeinert, jedoch blieb die Technik bisher dabei, das Sand-Erdalkalihydrat-Gemisch möglichst trocken zu den gewünschten Formungen zu vorpressen und diese im Dampfbehandlungsraum dicht aufzuschichten. Infolge des geringen Feuchtigkeitsgehaltes und der dadurch gegebenen, dichten Kornpackung besitzen die Formlinge zwar von Beginn an Standfestigkeit, be^

ίο nötigen aber wegen des hohen Verformungwiderstandes des Gemisches hohe Formdrucke, und die fertigen Formlinge besitzen eine vergleichsweise hohe scheinbare Dichte, die ihnen gewisse technische Anwendungsmöglichkeiten verschließen.

Wenn andererseits Formlinge mit weniger dichtem Gefüge und entsprechend kleinerer scheinbarer Dichte hergestellt werden sollen, muß der Flüssigkeitsanteil im Ausgangsgemisch entsprechend erhöht werden. Ein solches flüssigkeitsreiches Gemisch ist aber nicht formfest und muß daher in eine Form gegossen werden. Der hohe Wassergehalt hat auch zur Folge, daß bei der notwendigen Erhitzung auf die Temperatur der Verfestigungsreaktion der innere Zusammenhalt des unstarren Formlings durch die thermische Ausdehnung der Flüssigkeit geschwächt und durch ihre Verdampfung sogar zerstört wird. Um dies zu vermeiden, besteht die bisher übliche Praxis darin, die praktische Vollendung der chemischen Hydrosilikatreaktion und das Austreiben des überschüssigen Mediums aus dem Enderzeugnis in zwei aufeinanderfolgenden, getrennten Arbeitsgängen und in getrennt betriebenen Apparaturen, z. B. einerseits in einem Autoklav und andererseits in einer Trockenkammer, durchzuführen. Selbst dann aber noch mußte besondere Sorgfalt zur Erzielung eines guten Enderzeugnisses beachtet werden.

Die Erfindung beschäftigt sich in erster Linie mit den bei flüssigen Ausgangsgemischen auftretenden Verarbeitungsschwierigkeiten. Sie geht zwar grundsätzlich von den gleichen Stoff gemischen aus, die in der Kalksandsteinindustrie und ähnlichen Industrien Verwendung finden, jedoch mit dem Unterschied, daß der Flüssigkeitsanteil, d. h. z. B.

die Anmachwassermenge, im Gegensatz zur Herstellung von Kalksandstein od. dgl. wesentlich höher liegt, als dies zur Herstellung eines normalen Formlings mit der üblichen Porosität der Fall ist. Gegenüber dem bekannten, zweistufigen Verfahren der Dünngemischverarbeitung unterscheidet sich die Erfindung durch besondere Verfahrensregeln, die einen einstufigen Betrieb ermöglichen.

Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Gewinnung fester Körper durch Umwandlung von Gemischen aus miteinander unter Gelbildung reagierenden Feststoffen, insbesondere einerseits Erdalkalimetallverbindungen, wie Kalk, und andererseits kieselsäurehaltigen Materialien, wie Quarz, Kieselsäure oder reaktionsfähigen Aluminiumsilikaten, unter Wärmezufuhr aus der Dampfphase der Gemischflüssigkeit und Trocknen der Gemische in ein und demselben Reaktionsraum und kennzeichnet sich dadurch, daß zwecks Gewinnung hochporöser

Körper die Gemischbestandteile mit so viel fms- :

siger Komponente vermischt werden, daß eine 65 ■ gleichförmige Dispersion von durch Flüssigkeit vollständig voneinander getrennten Festteilchen entsteht, und daß nach dem Einbringen der zum Körper geformten Dispersion in den Reaktionsraum Wärme aus der Dampfphase der Dispersions- flüssigkeit derart zur Einwirkung gebracht wird, ^ daß das Gemisch wenigstens durch die chemische "%^ Reaktion zwischen ihren reaktionsfähigen Bestand- || teilen in seinen äußeren Schichten selbststützend ""-

wird, ehe die Verdampfung der flüssigen Gemischkomponente merklich beginnt, daß danach vor Beendigung der Gemischreaktion mit der Verdamp- ,,|- fung dieser Komponente begonnen wird, und daß Ii

schließlich sowohl die chemische Reaktion als auch $>

die Verdampfung bis in das Masseinnere hinein 80 "'Ϊ zu Ende geführt wird, bevor das verfestigte Erzeugnis völlig aus dieser Atmosphäre entfernt wird. Die Erfindung unterscheidet sich also von der bekannten Technik der Kalksandsteinindustrie usw. im Ausgangsmaterial, im Enderzeugnis und 85 ' in der Durchführung des Verfestigungsverfahrens selbst.

Durch die Unterbringung des Ausgangsgemisches in einem zumindest im wesentlichen mit der Dampfphase der Gemischflüssigkeit erfüllten Raum und die Regelung der zeitlichen Druck- und Temperaturbedingungen dieser Dampfphase können in einem fortlaufenden Verfahrensschritt und in ein und derselben Apparatur Festkörper mit jedem gewünschten Grad von Verfestigung und Trocknung 95 ;, erzeugt werden, die beim Herausnehmen aus der '^:H

Apparatur ihre vorherbestimmte Form, Dimension und sonstige Eigenart beibehalten. Die Dampf- s,.

phase dient dabei nicht nur zur Zufuhr der für die "''! Verfestigungsreaktion, erforderlichen Wärme, sondern auch derjenigen Wärmemengen, die über die aus der Verfestigungsreaktion her im Formling verbliebenen Restwärme hinaus für die Verdamp- U

fung der im Formling primär enthaltenen Flüssigkeit erforderlich ist.

Eine bevorzugte AüsführungsfO'rm der Erfindung besteht darin, daß die Dampfatmosphäre während des ohne Verdampfung der Dispersionsflüssigkeit ablaufenden Reaktionsabschnittes ge- ,.jg sättigt ist und während der Reaktionsabschnitte, in ιιο-ΐ"'" denen eine solche Verdampfung erfolgt, durch '-1

Temperaturerhöhung oder Druckabnahme oder beide Maßnahmen in ungesättigten Zustand gebracht wird, um die nicht bei der Verfestigungsreaktion aufgebrauchten Anteile der Dispersions- flüssigkeit vollständig durch Verdampfen aus dem Reaktionsraum zu entfernen. Hierbei kann eine den Reaktionsablauf fördernde Temperatur auch nach Beginn der Verdampfung der überschüssigen j

Dispersionsflüssigkeit! aufrechterhalten werden. 120 ■ Das Verfahren nach der Erfindung gestattet also c

eine Anpassung der Reifungs- und Trocknungsvor- i, gänge an die durch das Ausgangsmaterial und die ^;

geforderten Eigenschaften des Enderzeugnisses gegebenen Bedingungen und die Vermeidung unzulässiger Spannungen und dadurch bedingter

Qualitätsverschlechterungen, ζ. Β. Brüchen, im Enderzeugnis. In den Fällen, in denen z. B. bei oberhalb Siedetemperatur gewählter Reaktionstemperatur die Verfestigung· sehr schnell verläuft, kann frühzeitig vor Reaktionsbeendigung mit dem Abdampfen der Gemischnüssigkeit begonnen werden. Dabei muß jedoch immer so viel Flüssigkeit im Formling erhalten bleiben, als noch zur Aufrechterhaltung der Hydrosilikatreaktion erforder-Hch ist. Fernerhin kann unter Umständen, schon mit der Austrocknung der Formlinigsoberfläche be-' gönnen werden, sofern dafür gesorgt wird, daß Verdampfung und Verfestigung in ihrem Fortschreiten von außen nach innen aufeinander abgestimmt werden.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung beschrieben, bei dem ein Gemisch aus feinpulvrigem Löschkalk, feinpulvriger, reaktionsfähiger Kieselsäure in Form von Quarz, Diatomeenerde oder eines Gemenges beider und Wasser in einem Autoklav verfestigt sind, dessen Aufbau zeichnerisch dargestellt ist. Es zeigt

Fig. ι eine Seitenansicht der Stirnenden eines zylindrischen Horizontalautoklavs, der mit! Dampf-, Heizgas- oder Flüssigkeitsheizung, Reglern und mit Formungen beladenem Wagen versehen ist, in teilweisem Schnitt,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Autoklav nach Fig. i,

Fig. 3 einen lotrechten Querschnitt durch ihn und Fig. 4 und 5 Einzelheiten der Dampfeinlaßrohre. 30 Gewichtsteile feinpulvriger Löschkalk, 50 Gewichtsteile feinpulvrige Kieselsäure, Diatomeen- säure oder reaktionsfähige Aluminiumsilikate und 20 Gewichtsteile kurzfaseriger, feiner Asbest werden mit Wasser in üblicher Weise und unter Verwendung üblicher Schutzkolloide dispergiert, wobei die Wassermenge auf die gewünschte scheinbare Dichte des Enderzeugnisses abgestimmt wird.

Wemi beispielsweise mindestens die fünffache Gewichtsmenge Wasser, auf Gesamtfeststoff berechnet, verwendet und während der Formgebung und Verfestigung aufrechterhalten und der Formling unter Beibehaltung seines ursprünglichen Volumens getrocknet wird, so besitzt das trockene Enderzeugnis, eine scheinbare Dichte von etwa ein Sechstel oder noch weniger der des Ausgangsgemisches.

Die frischbereitete Dispersion kann vergossen oder sonstwie verformt werden. Mit Hilfe dünnwandiger Metallschüsseln 1 kann man beispielsweise Platten, Streifen, Blöcke od. dgl. formen, die innerhalb der Form oder ohne diese in durch entsprechende Vorbehandlung selbststützend gewordenen Zustand erfindungsgemäß verarbeitet werden. Zu diesem Zweck werden die Formlinge 2 auf Rahmen 3 gesetzt, die von, Stützen4 eines Wagens S getragen werden, der mit Hilfe seiner auf den Schienen 7 laufenden Räder 6 in den Autoklav 8 eingefahren werden kann. Danach wird die Autoklavtür 9 verschlossen und verriegelt und durch das im Autoklavboden angeordnete Dampfrohr 10 schnell gesättigter Wasserdampf eingeführt. Das Dampfrohr 10 ist über seine Länge hinweg mit Ausblasöffnungen 11 versehen und mit einem Verteilermantel 12 umgeben, dessen Dampfaustrittsöffnungen 13 gegenüber den, öffnungen 11 versetzt sind. Die zunächst im Autoklav befindliche Luft wird durch mit Ventilen versehene Deckenauslässe 14, 15, 16 und i7undBodenentleerungsventilstutzen - 18,18 schnell und vollständig ausgetrieben, und danach werden Druck und Temperatur auf Reaktionsbedingungen gebracht. Nach im vorliegenden Beispiel etwa 4 Stunden ist die Verfestigungsreaktion so weit fortgeschritten, daß die Formlinge fest genug geworden sind, um mit der Verdampfung ihres Wasseranteils zu beginnen. Wie bereits erwähnt, darf der Wasserentzug nicht früher beginnen oder schneller verlaufen, als es der Wasserbedarf der Verfestigungsreaktion zuläßt. Zur Überwachung und Registrierung der Reaktionsbedingungen dienen durch den Autoklavmantel hindurch vorzugsweise in die Nähe der Formlinge oder sogar in diese, selbst eingeführte Pyrometer 20, 21, 22 mit selbsttätigen Temperaturschreibern.

Die Naßdampf atmosphäre wird durch entsprechende Nachlieferung von Naßdampf auf 9 bis 10,5 Atm. Druck und einer entsprechenden Temperatur von 178 bis i86° C gehalten. Die für den Wasserentzug aus den selbststützend, gewordenen Formungen erforderliche Untersättiigung der Dampfphase wird durch geringe Temperaturerhöhung oder Druckverminderung bewirkt.

Die Temperaturerhöhung kann dadurch erfolgen, daß entweder an Stelle von Naßdampf überhitzter Dampf durch das Dampfrohr eingeführt oder ein geschlossenes Heizschlangensystem 23 eingeschaltet wird, das von entsprechend, d. h. 200, 260 oder 320⁰ C heißem Gas oder heißer Flüssigkeit durchströmt wird und den in den Autoklav direkt eingeführten Naßdampf entsprechend überhitzt. Das Enderzeugnis wird vorzugsweise auf nicht weniger als 5 % Restfeuchtigkeit heruntergetrocknet.

Das beim Austrocknen aus dem Formling austretende Wasser verwandelt sich in überhitzten Dampf, der in den Naß dampferzeuger, einen Dampfspeicher oder gegebenenfalls ins Freie abgegeben wird. Die noch nicht ausreagierten inneren Zonen des Formlings nehmen dabei durch die bereits trockene Außenzone hindurch Wärme bei einer Temperatur auf, die der Taupunktstemperatur der dampfabgebenden Zone entspricht, aber zum Einleiten und Fortführen der Verfestigungsreaktion ausreicht.

Erfahrungsgemäß schadet ein geringer Wasserentzug aus noch nicht aus reagierten, aber selbst oder durch die Umgebung gestützten Gemischzonen nicht, da erforderliches Reäktionswasser in genügender Menge durch chemische Bindung, Einschluß, Absorption oder sonstige Kapillarkräfte zurückgehalten wird.

Nachdem die Formlinge auf die gewünschte Restfeuchtigkeit von beispielsweise 5 bis 10 Gewichtsprozent heruntergetrocknet sind, kann der Dampfdruck im Autoklav ohne Gefahr einer Zer-

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störung der Formlinge schnell gesenkt, und diese können schnell aus dem Autoklav entnommen werden.

In der nachstehenden Tabelle sind die Verfahrensdaten für einige Formlinge bestimmter Ausmaße angegeben:

Umhüllung für ein 4"-Rohr (102 mm) Umhüllung
für ein
4"-Rohr
(102 mm)

Art der Formlinge

Tafel

Dicke in mm

Dichte in kg/qcm

Gesamtzeit für Verfestigung und Trocknung in

Stunden

Restfeuchtigkeit in Gewichtsprozent

Höchsttemperatur in ° C

Die nachstehende Tabelle gibt einen Vergleich zwischen den Fertigungszeiten einerseits beim einstufigen Verfahren nach der Erfindung und anderer

26,1 0,168

6,35 1,94 232,0 57.1
0,168

10,9
232,0

57.1
O,l68

7,4

82,5
0,168

4,0
310,0

101,6 0,167

24 10,6 3i3,o

82,5 0,168

24 10,4 232,0

seits beim bisher üblichen, zweistufigen Verfahren mit Verfestigung in einer und anschließender Heißlufttrocknung in anschließender, getrennter Stufe.

Erfindung	Bruchmodul (Mittelwert)	Altes Verfahren	für Verfestigung	Zeit für Austrodcnung	insgesamt	Bruchmodul (Mittelwert)
Zeit für Ver festigung und Austrocknung in Stunden	50 53 52	14 14	20 20 20	34 34 34	SO 48 53
IS 18 20

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil der Abkürzung der Fertigungszeit auf rund die Hälfte ohne Einbuße der mechanischen Festigkeit ist offensichtlich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

I. Verfahren zur Gewinnung fester Körper durch Umwandlung von Gemischen aus miteinander unter Gelbildung reagierenden Feststoffen, insbesondere einerseits Erdalkalimetallverbindungen, wie Kalk, und andererseits kieselsäurehaltigen Materialien, wie Quarz, Kieselsäure oder reaktionsfähigen Aluminiumsilikaten, unter Wärmezufuhr aus der Dampfphase der Gemischflüssigkeit und Trocknen der Gemische in ein und demselben Reaktionsraum, dadurch gekennzeichnet!, daß zwecks Gewinnung hochporöser Körper die Gemischbestandteile¹ mit so viel flüssiger Komponente vermischt werden, daß eine gleichförmige Dispersion von durch Flüssigkeit vollständig voneinander getrennten Festteilchen entsteht, und daß nach dem Einbringen der zum Körper geformten Dispersion in den Reaktionsraum Wärme aus der Dampfphase der Dispersionsflüssigkeit derart zur Einwirkung gebracht wird, daß das Gemisch wenigstens durch die chemische Reaktion zwischen ihren reaktionsfähigen Bestandteilen in seinen äußeren Schichten selbststützend wird, ehe die Verdampfung der flüssigen Ge-

mischkomponente merklich beginnt, daß danach vor Beendigung .der Gemischreaktion mit der Verdampfung dieser Komponente begonnen wird, und daß schließlich sowohl die chemische Reaktion als auch die Verdampfung bis in das Masseinnere hinein zu Ende geführt wird, bevor das verfestigte Erzeugnis völlig aus dieser Atmosphäre entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfatmosphäre während des ohne Verdampfung der Dispersionsflüssigkeit ablaufenden Reaktionsabschnittes gesättigt und während der Reaktionsabschnitte, in denen eine solche Verdampfung erfolgt, durch Temperaturerhöhung oder Druckabnahme oder beide Maßnahmen in ungesättigten Zustand gebracht wird, um die nicht bei der Verfestigungsreaktion aufgebrauchten Anteile der DispersionsfLüssigkeit vollständig durch Verdampfen aus dem Reaktionsraum zu entfernen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Reaktionsablauf fördernde Temperatur auch nach Beginn der Verdampfung der überschüssigen Dispersionsflüssigkeit aufrechterhalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 141.95, 117 352, 247938.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 609 862 4.57