DE2307659A1

DE2307659A1 - Vorrichtung zum behandeln von stoffen

Info

Publication number: DE2307659A1
Application number: DE19732307659
Authority: DE
Inventors: Hans P Huerlimann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-02-18
Filing date: 1973-02-16
Publication date: 1973-08-30
Also published as: DD102774A5; IT983452B; CH542699A; GB1426648A; JPS4890051A; FR2172334B1; FR2172334A1; DD102335A5; US3860218A

Description

BE

ElrtffciehungsforHg zur Weiter'ciliiiiG erhalten

Paioniciuvalt Or.-lng. Dipl. ing. G. Riebling

Hans P. Hürlimann, Pfäffikon

(Schweiz)

Vorrichtung zum Behandeln von Stoffen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von Stoffen, insbesondere zum Mischen von makromolekularen Komponenten, bestehend aus zwei rohrförmigen Druckzylindern, und aus einem die Druckzylinder trennenden Düsenblock, sowie aus je einem Presskolben in jedem Druckzylinder, der durch je einen Hauptantrieb hin- und herschiebbar ist, wobei der zu behandelnde Stoff durch mindestens einen Verbindungskanal im Düsenblock von einer Kammer zu anderen gepresst werden kann.

Unter dem vorstehend verwendeten Ausdruck "Behandlung" werden Operationen und Prozesse verstanden, bei denen ausser eigentlichen Mischvorgängen, wie beispielsweise Plastifizieren, Vermischen, Einmischen, Homogenisieren und Dispergieren, einzeln oder zusammen weitere Operationen, beispielsweise Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr, Ausstossen (Extrudieren) durch Düsen, Verdampfen im Vakuum oder weitere Prozesse wie z.B. Abbau von makromolekularen Stoffen unter erhöhtem Gasdruck, oder Vernetzung bzw. Polymerisation solcher Stoffe, vorkommen können.

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Für die Behandlung von Materialien sind mehrere verschiedene Vorrichtungen bekannt, mittels welcher die vorgenannten Operationen durchgeführt werden können. Sie weisen jedoch verschiedene Nachteile auf, welche die Durchführung der genannten Behandlungen nur in unvollkommener oder unwirtschaftlicher Weise gestatten.

Beim bekannten offenen Mischwalzwerk mit zwei Stahlwalzen von regelbarer Temperatur wird das Mischgut in einen durch die Walzen gebildeten Spalt gezogen, wobei es je nach der Weite des Walzenspaltes und je nach Differenz der Umfangsgeschwindigkeit der Walzen mehr oder weniger gedehnt, geschert und gemischt wird. Nachteilig ist, dass die einwandfreie Bedienung dieser Maschine hohe Anforderungen an das Personal stellt, so dass Mischfehler häufig sind und deshalb eine laufende Kontrolle der Fertigmischung nötig ist. Trotzdem und trotz dem hohen Aufwand an Personalkosten pro Mischungseinheit kann auf das offene Mischwalzwerk wegen seiner Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit bis heute nicht verzichtet werden.

Der bekannte Einkammer-Innenmischer, z.B. vom Typ Banbury oder Werner & Pfleiderer, besteht aus einer das Mischgut aufnehmenden geschlossenen Kammer, in welcher zwei quer durch die Kammer verlaufende Wellen mit exzentrischen Kröpfungen o.dgl.,durch die das Mischgut geschert wird, angeordnet sind. Nachteilig ist bei dieser Maschine, dass sich hohe Schergeschwindigkeiten nur lokal erzeugen lassen und der beim Homogenisieren notwendige häufige Durchgang durch die Zone hoher Schergeschwindigkeit nicht für alle Teilchen gewährleistet werden kann. Weiter tritt eine Temperaturerhöhung des Mischgutes auf, wodurch die beim Dispergieren notwendigen hohen Schubspannungen wegen der Verringerung der Viskosität ebenfalls nicht erreicht werden; die Kammerkühlung reicht gewöhnlich für die Abführung der erzeugten inneren Wärme nicht aus, da insbesondere die Wärmeleitfähigkeit bai makromolekularen Stoffen klein ist, so dass ein laufendes Abschälen

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des Mischgutes von der Kammerwand notwendig ist. Dieses Abschälen erfolgt aber oft nur in ungenügendem Masse, weil die Kammer dem Verschleiss ausgesetzt ist und nur in grösseren Intervallen überholt werden kann, so dass sich zwischen dem starr eingestellten Schälwerkzeug und der Kammerwand ein zu grosser Abstand bildet. Die erwähnte Temperaturerhöhung gefährdet oft wärmeempfindliche Komponenten oder löst chemische Reaktionen aus, so dass die noch nicht fertiggemischte Masse aus dem Innenmischer entfernt und unverzüglich eine Zwischenkühlung auf der Kühlwalze angewendet werden muss. Schliesslich zwingt die Notwendigkeit, die Mischkammer immer ganz zu füllen, bei Mischungen mit zahlreichen Komponenten zu einem mehrstufigen Arbeitsvorgang, der schlecht an die jeweiligen verlangten schwankenden Mischungsmengen für die Weiterverarbeitung anzupassen ist, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt. Schliesslich muss für verschiedene Mischungsarten jeweils eine starre Vorschrift für den Ablauf des Verfahrens aufgestellt werden, was der Tatsache nicht Rechnung trägt, dass bei einer bestimmten Mischungsart von Fall zu Fall zufällige Abweichungen vom idealen Verlauf auftreten, auf die der Innenmischer regeltechnisch nicht anspricht und wodurch von Charge zu Charge erhebliche Schwankungen der Verarbeitungseigenschaften der Mischung entstehen können.

Die weiter bekannte, hier als Rotorscheiben-Innenmischer (Schweizer Patentschrift 505 678) bezeichnete Mischmaschine besteht aus einer geschlossenen zylindrischen Kammer, in welcher eine rotierende und axial bewegliche Lochscheibe angeordnet ist, die die Kanuner in zwei Teilkammern unterteilt. Rotiert die Lochscheibe, so wird das Mischgut in demjenigen Teil der Kammer, gegen die hin die Rotorscheibe axial verschoben wird, an der Rotorscheibe geschert und dabei plastifiziert. Nachteilig ist, dass eine Kühlung der Rotorscheibe zu einem Ansteigen der Viskosität des Mischgutes an der Rotoroberfläche führt, so dass bei

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starkem Temperaturgefälle in der Masse der Scherprozess in wärmeres und deshalb viskoseres Mischgut weg verlagert wird. Damit erfolgt die innere Erwärmung nicht mehr unmittelbar an der Scheibenoberfläche, wo sie bei sehr hohem Temperaturgefälle günstig abgeleitet werden könnte.

Weiter muss beim Rotorscheiben-Innenmischer, ähnlich wie beim zweitgenannten Innenmischer, nach einer starr festgelegten Mischvorschrift verfahren werden, so dass auch hier die Verarbeitungseigenschaften der Mischung von Charge zu Charge erheblich schwanken können. Gerade die Regelmässigkeit der Viskosität der Fertigmischung ist aber von grösster Wichtigkeit für die heute angestrebten automatischen Verarbeitungsverfahren.

Es ist schliesslich beim Rotorscheiben-Innenmischer mit Innenkühlung und/oder Innenbeheizung des Rotors im Betrieb mit bedeutenden Umtrieben beim Auswechseln-der Rotorscheiben zu rechnen, da die entsprechenden Versorgungs- und Messleitungen unterbrochen werden müssen. Ein Vergleich mit der nichtgekühlten Ausführung ist kaum zulässig, da hier auch eine unkontrollierte innere Erhitzung des Mischgutes wegen ungenügender Kühlung wie beim zweitgenannten Innenmischer vorliegt. Aus diesem Grund muss in der Regel wohl auch die Reinigung der Rotorscheibe zwischen den Arbeitsphasen an der Vorrichtung ausgeführt werden, was zu Betriebsunterbrüchen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Behandeln von Materialien zu schaffen, bei welcher die bei Verwendung der bekannten Maschinen auftretenden Nachteile vermieden werden, wobei alle Vorrichtungsteile, welche bei einer Vielzahl der erwähnten Behandlungen erforderlich sind, in einer Hauptvorrichtung zusammengefasst sind und je nach Behandlungsart in Betriebslage gebracht werden, so dass mehrere Behandlungen in unmittelbarer Folge durch einfachen Teilewechsel zu einem

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zusammengesetzten Verfahren verbunden werden können und eine vollautomatische Steuerung des Mischablaufes möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, bei der der Düsenblock mittels des Hilfsantriebes zwischen die Druckzylinder klemmbar ist, wobei der Verbindungskanal bzw. die Verbindungskanäle einen vom kreisrunden Querschnitt abweichenden Querschnitt aufweisen.

Durch die leichte Auswechselbarkeit des Düsenblocks, dessen Verbindungskanäle entsprechend dem gewünschten Verfahren konstruiert sind und der die nötigen Anschlüsse für Kühlung, Beheizung und Messung, von aussen frei zugänglich, aufnehmen kann, wird erreicht, dass der zu behandelnde Stoff in unmittelbarer Weise beeinflusst werden kann, da die gesamte Stoffcharge zwangsläufig nacheinander der im Verbindungskanal herrschenden Strömungs- und Wärmeflussbedingung ausgesetzt ist und diese Behandlung durch mehrmaliges Hin- und Zurückpressen derselben Charge so oft wiederholt v/erden kann, bis aufgrund von Messungen der Temperatur sowie der Grosse und Regelmässigkeit der Viskosität die Erreichung des Behandlungsziels festgestellt wird.

Die Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen beispielsweise dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 zwei 90° zueinander versetzte Vertikalschnitte einer schematisch dargestellten Vorrichtung zum Behandeln von Materialien,

Fig. 2 bis 4 Geschwindigkeitsprofile einer a) dilatanten, einer b) newtonschen und einer c) nichtnewtonschen oder strukturviskosen Flüssigkeit für eine Kanalströmung} Fig. 3 ohne Wärmezufuhr oder -abfuhr, Rig. 4 mit Wärmeabfuhr und Fig. 5 mit Wärmezufuhr,

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Fig. 5 und 6 eine schematische Darstellung der Fliessverhältnisse im elliptischen Verbindungskanal,

Fig. 7 eine räumliche auseinandergezogene Darstellung eines Düsenblockes mit im Verbindungskanal angeordneten, verstellbaren Radialbolzen und

Fig. 8 Düsenblöcke in auseinandergezogener, räumlicher Darstellung, mit Kanälen, die in ihrer Mitte einen Verschleisseinsatz mit einer blendenförmigen Verengung aufweisen und in Trennflächen von Teilstücken des Düsenblockes liegen.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Maschine zur Behandlung von Materialien weist zwei Druckkammern 2, 3 auf, zwischen denen ein Düsenblock 1 mit einem oder mehreren Verbindungskanälen 4 geklemmt ist. Ein Presskolben 8 ist an der Kolbenstange 9 je eines Schubkolbenantriebes 7 mit einem Kolben 10 und einem Zylinder 11 befestigt. Deidseits des oberen Schubkolbenantriebes 7 sind zv/ei weitere Schubkolbenantriebe 13 angeordnet, von denen nur einer sichtbar ist und deren Kolbenstangen 14 über elastische Zwischf;ilagen 18 auf eine Druckplatte 17 wirken, an welchem der obere Druckzylinder 5 befestigt ist. Die Echubkolbenantriebe 13 stützen sich über elastische Zwischenlagen 19 auf ein oberes Joch 20 ab. Der obere Druckzylinder 5 kann mittels zweier weiterer Schubkolbenantriebe 21 (nur einer sichtbar) angehoben werden, wodurch eine leichte Auswechslung des Düsenblockes 1, welcher zwischen den beiden Druckzylindern 5, 5¹ eingeklemmt wird, erreicht wird.

Der untere Druckzylinder 5¹ ist mittels Flanschen 22 an einem Rahmen 23 abgestützt, welcher sich über die ganze Länge der Maschine erstreckt und die auftretenden Längskräfte aufnimmt. Der Rahmen 23 ist mittels der Flanschen 22 auf eirem Fundament 24 abgestützt.

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Die Druckölversorgung der doppelt wirkenden Schubkolbenantriebe 7 sowie der einfach wirkenden Schubkolbenantriebe 13, 21 erfolgt durch eine nicht dargestellte Druckölpumpe.

Wesentlich ist, dass der zwischen den beiden Druckkammern 2, 3 liegende Düsenblock 1 mindestens einen Verbindungskanal 4 aufweist, welcher einen vom kreisrunden Querschnitt abweichenden Querschnitt aufweist. Grundsätzlich ist bei Verwendung langer Mischkanäle die Mischwirkung über dem Querschnitt sehr unregelmässig, wie anhand der Figuren 2-4 erläutert wird. Während bei dilatanten Flüssigkeiten (z.B. Tonsuspensionen) die Schergeschwindigkeit über dem Querschnitt annähernd gleich ist, siehe das dreieckige Geschwindigkeitsprofil a) in Fig. 2, sinkt die Schergeschwindigkeit bei newtonschen Flüssigkeiten (z.B. Wasser oder OeI) von der Kanalwand linear gegen die Kanalachse ab und ist auf dieser Null, siehe das parabolsche Geschwindigkeitsprofil b) in Fig. 2. Bei nichtnewtonschen oder strukturviskosen Flüssigkeiten fällt die Schergeschwindigkeit von der Wand gegen die Kanalachse noch stärker ab, so dass innerhalb einer Kernzone die Scher- bzw» Mischwirkung sehr gering ist, siehe das Geschwindigkextsprofil c) in Fig. 2. Dieser Nachteil der geringen Mischwirkung, insbesondere bei strukturviskosen Flüssigkeiten, kann durch Kühlung der Verbindungskanäle umgangen werden. Hierbei kann die Tatsache, dass die Viskosität an der Kanalwand bei hoher Schergeschwindigkeit viel kleiner ist als in Kanalmitte bei niedriger Schergeschwindigkeit, durch eine Temperaturerniedrigung kompensiert werden. Durch die Temperaturerniedrigung kann in strukturviskosen Mischgütern die Viskosität stark heraufgesetzt werden, so dass bei starker Wandkühlung im Mischgut ein radialer Temperaturgradient entsteht, welcher der Viskositätserniedrigung in Wandnähe entgegenwirkt. Die Kühlung kann hierbei so gesteuert werden, dass praktisch über dem ganzen Querschnitt eine ausgeglichene Mischwirkung erfolgt,

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wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Während für eine dilatante a) und eine newtonsche b) Flüssigkeit bei Wandkühlung eine in Richtung zum Kern zunehmende Schergeschwindigkeit auftritt, weist die nichtnewtonsche Flüssigkeit c) das angestrebte j dreieckige Geschwindigkeitsprofil auf. Den Einfluss einer Wand- [ heizung zeigt Fig. 4, wobei bei allen drei Flüssigkeiten das | Gebiet geringer Schergeschwindigkeit vergrössert wird. Diese Temperaturabhängigkeit der Viskosität trifft zwar bei vielen Mischungen, jedoch nicht generell zu.

Durch einen vom Kreisquerschnitt abweichenden Querschnitt (Fig. 5 und 6) des Kanales 30, beispielsweise mit einem Achsenverhältnis 1:2, wird bei strukturviskosen Flüssigkeiten eine Sekundärströmung A-A¹, B-B¹, C-C, D-D¹ erreicht, bei welcher das Behandlungsgut entlang den langen Achsen nach innen und entlang den kurzen Achsen nach aussen strömt, so dass vier spiralförmige Wirbelströmungen entstehen. Dadurch gelangt das Gut abwechselnd in den Bereich 31 hoher Schergeschwindigkeit in Wandnähe und niedriger Schergeschwindigkeit im Bereich 31 der Kernströmung. Der Düsenblock 1 kann zur leichteren Herstellung und Reinigung aus mehreren Teilstücken aufgebaut sein *. (Fig. 8), wie noch später erläutert wird.

Durch diese Strömungsform wird ein gleichmässiges Mischen strukturviskoser Massen über den ganzen Querschnitt auch ohne Kühlung möglich.

Der Düsehblock 40 nach Fig. 7 weist, speziell zum Zwecke des Plastifizierens z.B. von Rohkautschuk, etwa denselben Durchmesser wie die Druckkammern 2, 3 auf, wobei der vom Kreisquerschnitt abweichende Querschnitt des Kanales 41 mittels Bolzen 42 erreicht wird, die so in das bewegte Gut, z.B. mittels Schubkolbenantrieben, eingepresst werden, dass an den Bolzen eine Stau- und Scherströmung einsetzt. Je weiter die Bolzen

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aus ihrer anfänglich voll versenkten Stellung nach innen gepresst werden, umsomehr Behandlungsgut wird vom Plastifizierprozess erfasst.

Der in Fig. 8 dargestellte Düsenblock 50, bestehend aus in einem Ring 51 eingesetzten Teilstücken 52, eignet sich speziell für das Dispergieren, bei welchem Verfahren sehr hohe Schubspannungen ohne nachteiligen Temperaturanstieg im Mischgut erzielt werden sollen. Dabei wird in jedem Kanal ein blendenförmiger Verschleisseinsatz 53 aus Hartmetall eingesetzt, mit dem sehr hohe Schubspannungen entsprechender Erwärmung erzeugt werden können. In den anschliessend äusseren Kanalzonen 54 wird die in der Blende 53 erzeugte innere Wärme möglichst vollständig abgeführt, wofür entsprechende Kanäle 55 zum Eintritt und 56 zum Austritt von Kühlflüssigkeit angeordnet sind. Die Verbindungskanäle 54 liegen zweckmässig in den Trennflächen der Teilstucke 52.

Die beschriebene Maschine kann vertikal oder horizontal angeordnet sein· Zur Förderung des Prozesses, beispielsweise beim Abbau von Rohkautschuk, kann in die Druckkammern 2, 3 ein chemisch reaktives Gas, z.B. Druckluft, eingeleitet werden.

Die Maschine lässt sich dadurch reinigen, dass nach dem Ausstossen des Fertiggutes die Presskolben 8 scjweit vorgefahren werden, bis ihre Vorderkanten bündig sind mit den Vorderkanten der Druckzylinder 5. Die Reinigung kann aber auch durch Einspritzen eines Lösungsmittels erfolgen. Das Lösungsmittel wird zwischen den Kammern 2, 3 so lange hin- und hergepresst, bis alle Rückstände in Lösung übergegangen sind, worauf das Lösungsmittel ausgestossen bzw, abgesaugt wird.

Wird an den Druckkammern 2, 3 eine Vakuumpumpe angeschlossen, können aus dem Mischgut flüchtige Bestandteile entfernt werden, beispielsweise Wasser oder Lösungsmittel.

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Wesentlich ist es bei der beschriebenen Vorrichtung, für jeden Prozess den verfahrenstechnisch geeignetsten Düsenblock zu verwenden, was durch die einfache Art der Auswechslung desselben leicht möglich ist. Durch den Einsatz verschiedener Düsenblöcke kann an der gleichen Charge eine verfahrenstechnisch differenzierte und gezielte Folge von Mischprozessen hintereinander durchgeführt werden. Dadurch kann auch die Temperatur des Mischgutes immer unterhalb des kritischen Wertes gehalten werden. Dank der einfachen Reinigung der Druckkammern 2, 3 durch vollständiges Vorschieben beider Presskolben 8 sowie der Möglichkeit, mit beliebigen Chargengrössen zu fahren, ist die Anpassungsfähigkeit an ein stark wechselndes Mischprogramm sehr gut. Trotzdem sind auch die Voraussetzungen für das automatische Arbeiten der Maschine gegeben.

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Claims

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Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Behandlung von Stoffen, insbesondere zum Mischen von makromolekularen Komponenten, bestehend aus zwei rohrförmigen Druckzylindern, und aus einem die Druckzylinder trennenden Düsenblock sowie aus je einem Presskolben in jedem Druckzylinder, der durch je einen Hauptantrieb hin- und herschiebbar ist, wobei der zu behandelnde Stoff durch mindestens einen Verbindungskanal im Düsenblock von einer Kammer zu anderen gepresst werden kann, dadurch : gekennzeichnet, dass der Düsenblock (1) mittels eines j

ersten Hilfsantriebes (13) zwischen die Druckzylinder (5) j klemmbar ist, wobei der Verbindungskanal bzw. die Verbindungskanäle (4) einen vom kreisrunden Querschnitt ab- i

weichenden Querschnitt aufweisen. j

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

nach Entfernen eines Druckzylinders (5) durch einen zweiten

Hilfsantrieb (21) der Düsenblock (1) ohne weitere Demontage ; entfernbar und/oder austauschbar ist. j

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenblock (1) einen weiteren Verbindungskanal (25) aus der Druckkammer nach aussen aufweist, an den ein Gerät anschliessbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal bzw. die Verbindungskanäle (4) einen Querschnitt aufweisen, dessen Verhältnis des grössten kleinsten Durchmesser zwischen 1,5 : 1 und 8 : 1 liegt.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal ein Verhältnis der Länge zum kleinsten Durchmesser von mehr 'als 10 aufweist und der kleinste Durchmesser zwischen 0,5 und 3 mm liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mittelzone des Verbindungskanals auf einer Länge von nicht mehr als einem Durchmesser eine Querschnittsverengung im Verhältnis von mindestens 1 : 5 angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (54) auswechselbare Einsätze (53) aus hochverschleissfestem Material aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenblöck in Teilstücke (52) aufgeteilt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal bzw. die Verbindungskanäle mit seiner Achse bzw. mit ihren Achsen in der Trennebene der Teilstücke verlaufen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (41) mit mindestens einem radial verstellbaren zylindrischen Bolzen (42) versehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (41) wenig grosser als der Durchmesser der Druckkammer (2,3) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke (52) in einem Trägerring (51) gehaltert sind.

25.1.1973
My/ip

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