WO2011098223A1

WO2011098223A1 - Oxidationsofen

Info

Publication number: WO2011098223A1
Application number: PCT/EP2011/000415
Authority: WO
Inventors: Karl Berner
Original assignee: Eisenmann Ag
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2011-01-29
Publication date: 2011-08-18
Also published as: JP2013519005A; EP2534287B1; JP5856082B2; CN102782198A; EP2534287A1; ES2526296T3; DE102010007480B3; CN102782198B

Abstract

Es wird ein Oxidationsofen (1) zur oxidativen Behandlung von Fasern (20), insbesondere zur Herstellung von Kohlenstofffasern, beschrieben, welcher in bekannter Weise einen im Innenraum eines Gehäuses (2) befindlichen Prozessraum (6), eine im mittleren Bereich des Prozessraums (6) angeordnete Einblaseinrichtung (13), in beiden gegenüberliegenden Endbereichen des Prozessraumes (6) jeweils eine Absaugeinrichtung (14, 15), mindestens einen Ventilator (21), der die heiße Luft durch die Einblaseinrichtung (13), den Prozessraum (6) und die beiden Absaugeinrichtungen (14, 15) umwälzt, und mindestens eine im Strömungsweg der heißen umgewälzten Luft liegende Heizeinrichtung (18) besitzt. Die Einblaseinrichtung (13) umfasst eine Mehrzahl von in vertikalem Abstand übereinander angeordneten Einblaskästen (18; 118), die eine Einlassöffnung und auf gegenüberliegenden Seiten jeweils Austrittsöffnungen für die heiße Luft aufweisen. Wahlweise sind zwei Stapel von übereinander in Abstand angeordneten Einblaskästen (18) vorgesehen, die in Bewegungsrichtung der Fasern (20) gesehen in Abstand hintereinander angeordnet sind und/ oder die Einbaukästen (118) in einem Stapel weisen in der Oberseite und der Unterseite mindestens eine zusätzliche Austrittsöffnung (130) für heiße Luft auf. Bei dieser Bauweise wird verglichen mit herkömmlichen Konstruktionen die effektive Länge der Strecke, in welcher die Fasern dem Oxidationsprozess ausgesetzt sind, verlängert, so dass der Ofen insbesondere niedriger gehalten werden kann.

Description

Oxidationsofen

Die Erfindung betrifft einen Oxidationsofen zur oxi- dativen Behandlung von Fasern, insbesondere zur Herstellung von Kohlenstofffasern, mit einem Gehäuse, das abgesehen von Einlass- und

Auslassbereichen für die Fasern gasdicht ist; einem im Innenraum des Gehäuses befindlichen Prozessraum; einer im mittleren Bereich des Prozessraums angeordneten Einblaseinrichtung, mit welcher Heißluft in entgegengesetzten Richtungen in den Prozessraum einblasbar ist und die eine Mehrzahl von in vertikalem Abstand übereinander angeordneten Einblaskästen umfasst, die eine Einlassöffnung und

auf gegenüberliegenden Seiten jeweils Austritts - Öffnungen für die heiße Luft aufweisen; in beiden gegenüberliegenden Endbereichen des Prozeßraums jeweils eine Absaugeinrichtung, welche heiße Luft aus dem Prozessraum absaugt; mindestens einem Ventilator, der die heiße Luft durch die Einblaseinrichtung, den Prozessraum und die beiden Absaugeinrichtungen umwälzt; f) mindestens einer im Strömungsweg der heißen umgewälzten Luft liegenden Heizeinrichtung; g) Führungsrollen, welche die Fasern serpentinenartig durch die Zwischenräume zwischen übereinanderliegenden Einblaskästen führen. Es gibt verschiedene Arten, die heiße Luft zur Behandlung von Fasern durch einen Oxidationsofen zu führen.

Zunehmend an Akzeptanz gewinnen solche Oxidationsofen, die eine Luftführung nach dem Prinzip "center-to-end" besitzen. Bei dieser wird die heiße Luft im mittleren

Bereich des Prozessraumes nach beiden Richtungen, also in Richtung auf die gegenüberliegenden Enden des Prozessraumes, ausgeblasen und von Absaugeinrichtungen

an diesen beiden Enden des Prozessraumes wieder abgesaugt. Der Prozessraum kann auch als Zone betrachtet werden, die sich in Längsrichtung des Ofens für unterschiedliche Temperaturen und Luftströmungen wiederholen kann .

Bei bekannten Oxidationsofen der eingangs genannten Art besitzen die die Einblaseinrichtung bildenden Einblaskästen durchgehende Ober- und Unterseiten und weisen nur an den gegenüberliegenden schmalen Stirnseiten Austrittsöffnungen für die heiße Luft auf. Dies bedeutet, dass die Zwischenräume zwischen übereinanderliegenden Einblaskästen nicht oder jedenfalls nicht in definierter Weise von heißer Luft durchströmt werden und die Fasern bei der Passage dieser Zwischenräume nicht oxidativ behandelt werden. Da aus Gründen der Luftverteilung die Einblaskästen nicht unerhebliche Dimensionen aufweisen müssen, fallen die

Strecken, in denen mangels Luftströmung eine oxidative Behandlung der Fasern nicht stattfindet, durchaus ins

Gewicht .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Oxi- dationsofen der eingangs genannten Art so auszugestal- ten, dass eine geforderte Strecke der oxidativen Behandlung der Fasern in einem kleineren Volumen des

Ofens untergebracht, insbesondere der Ofen niedriger gebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

dass zwei Stapel von übereinander in Abstand angeordneten Einblaskästen vorgesehen sind, die in Bewegungsrichtung der Fasern gesehen in Abstand hint einander angeordnet sind; und/oder i) die übereinander angeordneten Einblaskästen in

einem Stapel in der Oberseite und der Unterseite mindestens eine zusätzliche Austrittsöffnung für heiße Luft aufweisen.

Der Grundgedanke ist bei beiden erfindungsgemäßen Konstruktionsalternativen, die grundsätzlich auch beide in demselben Ofen verwirklicht sein können, derselbe: Bei der ersten Alternative werden die Dimensionen der

Einbaukästen in Bewegungsrichtung der Faser gesehen kleiner gehalten, etwa so, dass das Volumen zweier hintereinander liegender Einblaskästen dem Gesamtvolumen eines einzigen Einblaskastens bei der herkömmlichen Bauweise entspricht. Durch den Abstand zwischen den beiden Einblaskästen ist es möglich, dass sich in den Zwischenräumen zwischen übereinanderliegenden Einblaskästen Strömungen heißer

Luft ausbilden, die sich so beim Stande der Technik

nicht gefunden haben. Die Zwischenräume zwischen über- einanderliegenden Einblaskästen können auf diese Weise an der oxidativen Behandlung der Fasern aktiv teilnehmen .

Ähnlich verhält es sich bei der zweiten Konstruktionsal- ternative, bei welcher das Volumen der einzelnen Einblaskästen im Wesentlichen dasselbe wie bei herkömmlicher

Bauweise sein kann. Durch die an der Ober- und Unterseite vorgesehenen zusätzlichen Luftaustrittsöff ungen ergibt sich aber wiederum die Möglichkeit, die Zwischenräume zwischen übereinanderliegenden Einblaskästen mit heißer

Luft durchströmen zu lassen, so dass die dort liegenden Abschnitte der Fasern am oxidativen Prozess teilnehmen können. Insgesamt ist es auf diese Weise möglich, den

Oxidationsofen kleiner zu bauen, da die von den Fasern durchlaufenen Wegstrecken besser ausgenutzt werden als beim Stand der Technik.

Besonders wertvoll ist, dass bei gleicher Ofenlänge der Ofen niedriger gehalten werden kann. Hiermit ist eine ganze Reihe von Vorteilen verbunden: Da weniger serpentinenartige Durchläufe der Fasern durch den Prozessraum benötigt werden, können Umlenkrollen für die Fäden und Schleuseneinrichtungen, welche im Bereich des Ein- und Austritts der Fäden in den Prozessraum ein Entweichen von Luft verhindern, eingespart werden. Zudem ergibt sich für den Gesamtofen eine Gewichtsersparnis, was sich für die Kosten eines Stahlbaues, auf dem der Ofen aufgebaut ist, günstig auswirkt. Zudem erhöht sich aufgrund der besseren Lufturnströmung der Fäden im Prozessraum die Qualität des erzielten Produkts.

Zweckmäßig ist es, wenn der horizontale Abstand zwischen nebeneinander angeordneten Stapeln von Einblaskästen gleich dem doppelten vertikalen Abstand zwischen den Einblaskästen in dem Stapel und maximal gleich der Dimension eines Einblaskastens in Längsrichtung des Ofens ist. Auf diese Weise ergeben sich definierte Strömungsverhältnisse im Bereich zwischen den Stapeln und in den

Bereichen zwischen übereinanderliegenden Einblaskästen.

Bei der zweiten konstruktiven Alternative ist es günstig, wenn die Einblaskästen entlang einer Mittellinie auf der Ober- und der Unterseite eine Vielzahl

von zusätzlichen Austrittsöff ungen für heiße Luft

aufweisen. Auch diese Maßnahme dient der kontrollierten Führung der heißen Luft .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch einen Oxidations- ofen zur Herstellung von Kohlenstofffasern gemäß Linie I-I von Figur 2; Figur 2 einen horizontalen Schnitt durch den Oxidations- ofen von Figur 1 ;

Figur 3 eine Detailvergrößerung aus Figur 1 im Bereich

einer Einblaseinrichtung;

Figur 4 einen Schnitt durch Draufsicht einen Einblaskasten, wie er bei einem alternativen Ausführungsbeispiel eines Oxidationsofens eingesetzt wird, gemäß der Linie IV - IV von Figur 5;

Figur 5 eine Draufsicht auf den Einblaskasten der Figur 4.

Zunächst wird auf die Figuren 1 bis 3 Bezug genommen, in denen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Oxidations- ofens dargestellt ist, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist und zur Herstellung von Kohlenstofffasern eingesetzt wird. Der Oxidationsofen 1 umfasst ein Gehäuse 2, das seinerseits aus zwei vertikalen Längs- wänden 2a, 2b, zwei vertikalen Stirnwänden 2c, 2d, einer Deckwand 2e und einer Bodenwand 2f zusammengesetzt ist.

Das Gehäuse 2 ist mit Ausnahme zweier Bereiche 3, 4 in den Stirnwänden 2c und 2d, in denen die zu behandelnden Fasern 20 ein- und ausgeführt werden und die mit beson- deren Schleuseneinrichtungen versehen sind, gasdicht.

Wie insbesondere der Figur 2 zu entnehmen ist, ist der

Innenraum des Gehäuses 2 durch eine vertikale Trennwand 5 in den eigentlichen Prozessraum 6 und seitlich von diesem liegende Luftleiträume 7, 8, 9, 10, 11, 12 unterteilt. Insgesamt ist der Innenraum des Oxidations- ofens 1 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der in

Figur 2 angedeuteten vertikalen Mittelebene S-S ausgebildet. Im mittleren Bereich des Prozessraumes 6 befindet sich eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 13 versehene Einblaseinrichtung, die weiter unten ausführlicher erläutert wird. In den beiden außen liegenden Endbereichen des Prozessraumes 6, jeweils den Ein- und Austritts- bereichen 3, 4 benachbart, befinden sich Absaugeinrichtungen 14 bzw. 15.

Im Inneren des Gehäuses 2 werden zwei gegenläufige Luft- kreisläufe aufrecht erhalten: Ausgehend beispielsweise von den Absaugeinrichtungen 14, 15 wird die Luft im Sinne der in Figur 2 erkennbaren Pfeile durch die Luftleiträume 7 bzw. 12 zu einem Filter 16 bzw. 17 und sodann durch ein Heizaggregat 18a bzw. 18b in den Luftleitraum 8 bzw. 11 geführt. Aus dem Luftleitraum 8 bzw. 11 wird die erwärmte Luft von einem Ventilator 21a bzw. 21b abgesaugt und in die Luftleiträume 9 bzw. 10 eingeblasen. Von dort gelangt die Luft jeweils in eine Hälfte der weiter unten genauer beschriebenen Einblaseinrichtung 13, von dort gegensinnig strömend in den Prozessraum 6 und von dort zur Absaugein- richtung 14 bzw. 15, womit die beiden Luftkreisläufe geschlossen sind.

In der Wand des Gehäuses 2 sind zwei Auslässe 30a, 30b vorgesehen. Über diese können diejenigen Gas- bzw. Luftvo- lumina abgeführt werden, die entweder bei dem Oxidations- prozess entstehen oder als Frischluft über die Ein- und Austrittsbereiche 3, 4 in den Prozessraum 6 gelangen, um so den Lufthaushalt im Oxidationsofen 1 aufrecht zu erhalten. Die abgeführten Gase, die auch giftige

Bestandteile enthalten können, werden einer thermischen Nachverbrennung zugeführt . Die dabei gewonnene Wärme kann zumindest zur Vorerwämung der dem Oxidationsofen 1 zugeführten Frischluft verwendet werden. Die Einblaseinrichtung 13 ist im Detail wie folgt aufgebaut :

Sie umfasst zwei "Stapel" von Einblaskästen 18. Jeder dieser Einblaskästen 18 hat die Form eines hohlen Qua- ders, wobei die längere Dimension sich quer zur Längsrichtung des Prozessraumes 6 über dessen gesamte Breite erstreckt. Die jeweils zum Prozessraum 6 zeigenden

Schmalseiten der Einblaskästen 18 sind als Lochbleche 18a ausgebildet. Jeweils eine Stirnseite jedes Einblas- kastens 18 steht mit dem Luftleitraum 9 bzw. Luftleitraum 10 so in Verbindung, dass die vom. Ventilator 20 bzw. 21 geförderte Luft in den Innenraum des jeweiligen Einblaskastens 18 eingeblasen wird und von dort über die Lochbleche 18a austreten kann. Die verschiedenen Einblaskästen 18 in jedem der beiden

Stapel sind mit einem geringfügigen Abstand übereinander angeordnet; die beiden Stapel von Einblaskästen

18 wiederum sind, in Längsrichtung des Ofens bzw. Bewegungs- richtung der Fäden 20 gesehen, ebenfalls voneinander

beabstandet. Idealerweise (und abweichend von den in Figur 1 dargestellten Verhältnissen) ist der vertikale Abstand zwischen zwei Einblaskästen 18 in einem Stapel derselbe wie der Abstand zwischen den beiden Stapeln 18 in Längsrich- tung des Prozessraumes 6.

Die beiden Absaugeinrichtungen 14, 15 werden im Wesentlichen von jeweils einem Stapel von Absaugkästen 19

gebildet, die in ähnlicher Weise wie die Einblaskä- sten 18 sich in Querrichtung durch den gesamten Prozessraum 6 erstrecken und an ihren quer zur Längserstreckung des Prozessraumes 6 verlaufenden Schmalseiten als Lochbleche 19a ausgebildet sind. Die Löcher der Lochbleche 19a können dabei jede geometrische Form haben.

Die Absaugkästen 19 in den Absaugeinrichtungen 14, 15 haben denselben vertikalen Abstand voneinander wie die

Einblaskästen 18 in der Einblaseinrichtung 13.

Die zu behandelnden Fasern 20 werden dem Oxidationsofen 1 über eine Umlenkrolle 21 zugeführt und durchtreten

dabei eine Schleuseneinrichtung 22, die im vorliegenden Zusammenhang nicht interessant ist und dazu dient, kein Gas aus dem Prozessraum 6 nach außen entweichen

zu lassen. Die Fasern 20 werden sodann durch die Zwi- schenräume zwischen übereinanderliegenden Absaugkästen

19, durch den Prozessraum 6, durch die Zwischenräume

zwischen übereinanderliegenden Einblaskästen 18 in der

Einblaseinrichtung 13, durch den Zwischenraum zwischen übereinanderliegenden Absaugkästen 19 am gegenüberliegenden Ende des Prozessraumes 6 und durch eine weitere Schleusen- einrichtung 23 geführt.

Der geschilderte Durchgang der Fasern 20 durch den Prozessraum 6 wird serpentinenartig mehrfach wiederholt, wozu in beiden Endbereichen des Oxidationsofens 1 mehrere mit ihren Achsen parallel übereinanderliegende

Umlenkrollen 24 bzw. 25 vorgesehen sind. Nach dem

obersten Durchgang durch den Prozessraum 6 verlässt die Faser 20 den Oxidationsofen 1 und wird dabei über eine weitere Umlenkrolle 26 geführt.

Während des serpentinenartigen Durchganges der Fasern 20 durch den Prozessraum werden diese von heißer, sauerstoffhaltiger Luft umspült und dabei oxidiert . Beim

Austritt aus dem Oxidationsofen 1 ist zumindest ein

Oxidationsschritt im Wesentlichen abgeschlossen. Weitere Oxidationsschritte können folgen.

Figur 3 zeigt, wie die Luftströmungen im Bereich der Einblaseinrichtung 13 verlaufen. Aufgrund der an beiden schmalen Längsseiten der Einlasskästen 18 vorgesehenen Lochbleche 18a kann die in den Innenraum jeden Einblaskastens 18 vom entsprechenden Ventilator

20 bzw. 21 eingeblasene Luft an beiden gegenüberlie- genden Seiten des Einblaskastens 18 austreten. Im Bereich des Spaltes zwischen zwei Stapeln von Einblaskästen 18 treffen die Luftströmungen dabei, wie in Figur 3 deutlich wird, gegensinnig aufeinander. Dies hat zur Folge, dass die Luft dort umbiegt und durch den Zwischenraum zwischen übereinanderliegenden Einblaskästen 18 in jedem der beiden Stapel in Richtung auf die gegenüberliegenden Endbereiche des Prozessraumes 6 und damit auf die entsprechende Absaugeinrichtung 14, 15 strömt. Dieser Teil der von den Einblaskästen 18 abgegebenen Luft umströmt dabei die Fasern 20 auch in den Streckenbe- reichen, die zwischen den Einblaskästen 18 liegen.

Diese Streckenbereiche sind daher für den Oxidations- vorgang wirksam. Bei gleicher Ofenlänge kann deshalb verglichen mit Oxidationsöfen nach dem Stande der Technik, wie er eingangs geschildert wurde, Ofenhöhe eingespart werden. Auf die hiermit verbundenen Vorteile wurde

oben schon hingewiesen.

Die Figuren 4 und 5 zeigen einen Einblaskasten 118, der bei einem alternativen Ausführungsbeispiel eines

Oxidationsofens eingesetzt werden kann und jeweils

ein Paar von Einblaskästen 18 der Figuren 1 bis 3 ersetzen kann, die bei diesem Ausführungsbeispiel in derselben

Höhe nebeneinander in zwei verschiedenen "Stapeln"

liegen. Statt zweier, in einem Abstand in Längsrichtung des Prozessraumes 6 gesehen angeordneten

einzelnen Einblaskästen 18 wird ein einheitlicher

Einblaskasten 118 verwendet, dessen Dimension parallel zur Längsrichtung des Prozessraumes 6 gesehen der Summe der entsprechenden Dimensionen zweier Einblaskästen 18 aus Figur 1 entspricht.

Statt des Spaltes zwischen zwei nebeneinanderliegenden Einblaskästen 18 besitzt der Einblaskasten 118 nach den

Figuren 4 und 5 in der Ober- und Unterseite jeweils

eine Vielzahl von Luftauslassöffnungen 130, so dass

also aus dem (einheitlichen) Einblaskasten 118 an der

Oberseite und Unterseite Luft entweichen kann, wie

dies durch die Pfeile in den Figuren 4 und 5 angedeu- tet ist. Auf diese Weise lässt sich ein Strömungsbild erzielen, welches ähnlich demjenigen ist, das in Figur 3 dargestellt ist: Auch hier können sich entlang der Unter- bzw. Oberseiten der Einblaskästen 118 parallel zur Bewegungsrichtung der Fasern Luftströmungen ausbilden, welche die Fasern zwischen den Einblaskästen umspült und dort den Oxidat ionsvorgang auslöst. Falle der Figuren 4 und 5 werden die Luftleiträume und 10 der Figur 2 vereinigt und speisen gemeinsame Einblaskästen 118.

Claims

Patentansprüche

1. Oxidationsofen zur oxidativen Behandlung von

Fasern, insbesondere zur Herstellung von Kohlefasern, mit a) einem Gehäuse, das abgesehen von Einlass- und

Auslassbereichen für die Fasern gasdicht ist; b) einem im Innenraum des Gehäuses befindlichen Prozessraum; c) einer im mittleren Bereich des Prozessraums angeordneten Einblaseinrichtung, mit welcher Heißluft in entgegengesetzten Richtungen in den Prozessraum einblasbar ist und die eine Mehrzahl von in vertikalem Abstand übereinander angeordneten Einblaskästen umfasst, die eine Einlassöffnung für die heiße Luft und auf gegenüberliegenden Seiten jeweils Aus- trittsöff ungen für die heiße Luft aufweisen; d) in beiden gegenüberliegenden Endbereichen des Prozessraumes jeweils eine Absaugeinrichtung, welche heiße Luft aus dem Prozessraum absaugt ,- e) mindestens einem Ventilator, der die heiße Luft durch die Einblaseinrichtung, den Prozessraum und die beiden Absaugeinrichtungen umwälzt; f) mindetens einer im Strömungsweg der heißen umgewälzten Luft liegenden Heizeinrichtung; Führungsrollen, welche die Fasern serpentinenartig durch die Zwischenräume zwischen überein

anderliegenden Einblaskästen führen, dadurch gekennzeichnet, dass h) zwei Stapel von übereinander in Abstand angeordneten Einblaskästen (18) vorgesehen sind, die in Bewegungsrichtung der Fasern (20) gesehen in Abstand hintereinander angeordnet sind; und/oder die Einbaukästen (118) in einem Stapel in der

Oberseite und der Unterseite mindestens eine zu

sätzliche Austrittsöffnung (130) für heiße Luft

aufweisen .

2. Oxidationsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net , dass der horizontale Abstand zwischen nebeneinander angeordneten Stapeln von Einblaskästen (18) gleich dem doppelten vertikalen Abstand zwischen den Einblaskästen (18) in dem Stapel und maximal gleich der Dimension eines Einblaskastens (18) in Längsrichtung des Oxidationsofens (1) ist.

3. Oxidationsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblaskästen (118) entlang einer Mittellinie auf der Oberseite und der Unterseite eine Vielzahl von zusätzlichen Austrittsöffnungen (130) für heiße

Luft aufweisen.