DE3342812A1

DE3342812A1 - Vorrichtung und verfahren zur extrusion von zellulosehaltigen stoffen

Info

Publication number: DE3342812A1
Application number: DE19833342812
Authority: DE
Inventors: Bobbie Wayne Sabetha Kan. Hauck; Gordon Ray Huber
Original assignee: Wenger Manufacturing LLC
Current assignee: Wenger Manufacturing LLC
Priority date: 1982-11-26
Filing date: 1983-11-24
Publication date: 1984-06-14
Also published as: JPS59150190A; GB2170441A; GB8601521D0; GB2170441B; GB2131342B; GB8331235D0; GB2131342A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Extrusionsvorrichtung und ein Verfahren zur wirksamen Handhabung und Extrudierung von Material, das zuvor wesentliche Verarbeitungsschwierigkeiten bereitet hat. Hierzu gehören beispielsweise Holzschnitzel, Sägemehl und andere Holzreste, städtische Abfallfeststoffe und Ernterückstände. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein

■15 Verfahren, welche eine Schnecken-Übergangszone in einem Zylinder verwendet, um die Materialströmung auszugleichen und beim Aufbau von verhältnismäßig hohen Drücken und Temperaturen zu helfen; darüber hinaus weist die Extrusionsvorrichtung eine einstellbare Düse auf, wel^cne die Extrusionsarbeit außerdem erleichtert.

Es sind bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Zerkleinerung von Zellulose- oder faserhaltigen Stoffen für die Erzeugung eines zerkleinerten oder zer-

OR faserten Produkts bekannt. Beispielsweise wird zerfasertes Holz bei der Herstellung von sogenannten Faserplatten verwendet. Das zerfaserte Holz kann dadurch gebildet werden, indem Holzschnitzel in einem großen Kessel mit Hochdruckdampf behandelt werden, worauf anschliessend eine plötzliche Druckentlastung vorgenommen wird, um die Holzschnitzel zu teilen und in Fasern zu zerkleinern, um damit das zerfaserte Produkt zu erhalten. Ein anderes bekanntes Verfahren ist die Scheibenzerkleinerung von Holzschnitzeln, wobei nach einer anfänglichen Druckbehandlung die Holzschnitzel zu einer großen Mehr-

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platten-Raffiniervorrichtung verbracht werden, in der sie auf ähnliche Weise mit Druck behandelt werden. Große kommerzielle Einheiten dieser Art können Holzschnitzel bis auf im wesentlichen Einzelfasergröße zerkleinern, hierzu ist jedoch ein sehr großer Motor, beispielsweise mit 2000 PS erforderlich. Eine wesentliche Schwierigkeit besteht bei Scheibenzerkleinerern in den Aufwendungen für die Wartung und den Austausch von Teilen. Die Vorrichtung verschleißt leicht und wesentliche Arbeitsteile verbrauchen sich sehr schnell, so daß sie insgesamt unwirtschaftlich ist.

Städtische Abfallfeststoffe wurden bislang ähnlich behandelt, um sie gleichförmig und als Brennstoff geeignet zu machen. Ein Verfahren zur Behandlung von städtischen Abfallfeststoffen ist das Hydropulpierungsverfahren. Bei diesem Verfahren wird ein Schlamm von Abfallstoff und Wasser in ein großes Gefäß eingeleitet, welches einen perforierten Boden besitzt. Ein rotierendes Schrapermesser liegt über dem perforierten Boden und dient zur Zerkleinerung und Zerteilung der durch den Gefäßboden tretenden Feststoffe.

Alle bekannten Verfahren haben jedoch als wesentlichen Nachteil, daß sie große Mengen von Energie verbrauchen. Beispielsweise kann die Scheibenzerkleinerung von Holzschnitzeln von der Energiebilanz her trotz ihrer Wirksamkeit hinsichtlich der Erzeugung von gewünschtem zerfasertem Holz unzumutbar aufwendig sein. Dies folgt nicht nur aus dem hohen Verbrauch an elektrischer Leistung für den starken Antriebsmotor und aus der für die Behandlung der Holzschnitzel verwendeten Dampfmenge, sondern auch daraus, daß große Wassermengen umgepumpt und zusammen mit den Holzspänen gehandhabt werden müs^sen·

Man hat daher bereits versucht, Holzspäne oder andere Zellulose- oder faserhaltige Stoffe zu extrudieren. Die Vorteile des Extrudierens dieser Stoffe liegen theoretisch auf der Hand, insbesondere vom Gesichtspunkt der Energiebilanz her. In der Praxis ergeben sich jedoch wesentliche Schwierigkeiten, welche in der großen Schwierigkeit einer glatten und wirksamen Extrusion von rauhen und groben Stoffen wie Holzschnitzeln stammen. Versuche zur Extrusion von Holzschnitzeln führten entweder zu einem übermäßigen Saugen und Blasen oder zu anderen Anzeichen eines ungleichmäßigen Betriebs, oder sie führten häufiger zu einem vollständigen Verlegen der Maschine, was ein Abschalten und Reinigen erforderlich machte.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen zellulose- oder faserhaltige Stoffe in kommerziell vertretbarer Weise wirksam zerkleinert und zerfasert werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 13.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren können Stoffe wie Holzschnitzel, Sägemehl und andere Holzrückstände, städtische Abfallfeststoffe und Ernterückstände, z.B. Weizenstroh, Maisstämme oder Bagasse ohne Schwierigkeiten verarbeitet werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Extruders lassen sich außerdem texturierte ganze Sojabohnen verarbeiten, die den üblichen hohen Fettgehalt haben.

Der erfindungsgemäße Extruder weist einen länglichen Zylinder mit einem Materialeinlaß und einem Materialauslaß an gegenüberliegenden Enden auf, woboi in dom

BAD ORIGINAL

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Zylinder eine Schnecke drehbar ist, die dazu dient, das Material vom Einlaßende zum Auslaßende zu fördern. Die Schnecke ist so gebaut, daß sie den Materialstrom in der Vorrichtung glättet und das Entstehen einer Verstopfung verhindert. Es hat sich gezeigt, daß dieses Merkmal zusammen mit einer Düseneinrichtung am Auslaßende des Zylinders, die zur Veränderung des Durchgangsquerschnitts an der Düsenöffnung im Betrieb des Extruders dient, die Verarbeitung der zuvor erwähnten Stoffe wesentlich erleichtert.

Vorteilhafterweise besitzt die Extruderschnecke eine erste, eingängige Einzugszone mit nur einem Schraubengang am Einlaßende des Zylinders, während eine Übergangszone stromabwärts von der Einzugszone liegt und erste und zweite Schraubengänge aufweist, die jeweils eine Reihe von Schraubenwicklungen darstellen. Die ersten und zweiten Schraubengänge wechseln sich entlang der Länge der Übergangszone ab und die Höhe des ersten Schraubengangs ist geringer als die des zweiten Schraubengangs. Schließlich weist die Schnecke eine Kompressionszone stromabwärts von der Übergangszone auf, welche sich in Richtung auf das Auslaßende des Zylinders erstreckt. Die Kompressionszone hat zwei oder drei Schraubengänge, um die Kompressionskräfte auf das Material zu erhöhen.

In einer bevorzugten Ausführungsform vergrößert sich die Höhe des ersten Schraubenganges in der Übergangszone allmählich und fortschreitend, bis sie der Höhe des zweiten Schraubenganges entspricht. In der Praxis beginnt der erste Schraubengang praktisch bei einer Höhe von Null und steigt allmählich auf die Höhe des zweiten Schraubengangs über einen Weg von einer 1/4 Umdrehung bis 10 Umdrehungen des ersten Schraubengangs an, ob-

gleich eine größere oder kleinere Anzahl von Umdrehungen anwendbar ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kerndurchmesser konstant, in einer anderen verändert er sich über seine gesamte Länge.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die einstellbare Düsenanordnung druckabhängig, d.h. die effektiven Abmessungen der Düsenöffnung werden in Abhängigkeit von Druckschwankungen im Zylinder geregelt. Es hat sich herausgestellt, daß dies die Arbeitseigenschaften des Extruders verbessert.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels;

Figur 2 eine Stirnansicht der Vorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3 einen vergrößerten senkrechten Teilschnitt entlang der Linie 3-3 von Figur 2 unter Darstellung der Einzugszone, der Übergangszone und der Kompressionszone der Extruderschnecke;

Figur 4 einen vergrößerten senkrechten Teilschnitt durch das Auslaßende des Extruders unter Darstellung einer verstellbaren Düse;

Figur 5 eine Seitenansicht der bevorzugten Schneckenübergangszone unter Darstellung der allmählichen und zunehmenden Vergrößerung der Ganghöhe des ersten Schneckenganges der Schnecke; und

Figur 6 einen Vertikalschnitt durch den in Figur 5 dargestellten Abschnitt.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Extruder 10 mit einem primären Beschickungstrichter 12, der mit einer geneigten Förderschnecke 14 versehen ist. Ein sekundärer Beschickungstrichter 16 ist ebenfalls Teil des Extruders 10 und ist mit einer Doppelschrauben-Beschickungsvorrichtung 18 und mit einer Extruderanordnung 20 versehen. Der Bes'chickungstrichter 12 hat üblichen Aufbau und weist die üblichen Stützen 22 auf. Die Förderschnecke 14 ist innerhalb des Beschickungstrichters 12 geneigt angeordnet und erstreckt sich durch deren offenes oberes Ende nach oben. Eine Förderschütte 24 dient dazu, aus dem Beschickungstrichter 12 hoch transportiertes Material in den sekundären Beschickungstrichter 16 zu übertragen. Der sekundäre Beschickungstrichter 16 hat ebenfalls einen an sich bekannten Aufbau und weist Stützen 26 sowie ein oben offenes Ende für die Abgabe des Materials von der Schütte 24 auf. Beide Beschikkungstrichter 12 und 16 sind vorzugsweise in der Nähe ihrer Böden mit rotierenden Schabern ausgerüstet, so daß dort eine Zusammenballung von Material verhindert wird.

Die Extrudervorrichtung 20 weist einen länglichen, aus mehreren Abschnitten bestehenden rohrförmigen Zylinder 27 auf, der einen Einlaß 28 für Material aufweist, welcher mit einer Doppelschraubenschnecke 18 in Verbindung steht, und sie weist außerdem eine einstellbare Düse 30 auf, die in der Nähe des gegenüberliegenden Auslaßendes des Zylinders 27 angeordnet ist.

Die Extrudervorrichtung 20 weist ferner eine längliche, mehrfach unterteilte Schnecke 32 auf, die in dem Zylin-

der 27 angeordnet und darin von einem Motor 34 und einem Getriebe 36 drehbar ist. Die Schnecke 32 dient dazu, Material vom Einlaß 28 entlang der Länge des Zylinders 27 und schließlich durch die einstellbare Düse 30 zu fördern; außerdem dient die Schnecke 32 dazu, das Material Scherkräften auszusetzen und Wärme in der nachfolgend zu beschreibenden Weise an das Material zu übertragen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zylinder 27 mit insgesamt 5 axial fluchtenden, miteinander verbundenen rohrförmigen Stücken 38 bis 46 sowie mit einem etwas kürzeren, im Inneren spiralförmig gerippten Kompressionsstück 48 versehen, welches eine kegel-

"15 stumpf artige Durchgangsbohrung aufweist. Schließlich ist die Düse 30 an das Auslaßende des Stücks 48 angebracht, um von dort gemäß Figur 4 Material aufzunehmen.

In ähnlicher Weise ist die Schnecke 32 aus Abschnitten aufgebaut, die allgemein gesprochen als eine Einzugszone 50, als eine Übergangszone 52 und als eine Kompressionszone 54 bezeichnet werden. Die Einzugszone 52 weist ein eingängiges Schneckenelement 56 auf, welches in dem rohrförmigen Stück 38 angeordnet ist und zur Übertragung von Material vom Einlaß 28 entlang der Länge des Zylinders 27 zu der Übergangszone 52 dient.

Die Übergangszone 52 hat die Form eines besonderen Schneckenelements 58, welches stromabwärts von dem ersten Schneckenelement 56 liegt und mit diesem gekoppelt ist. Wie man am besten anhand von Figur 3 erkennt, liegt zwischen den Schneckenelementen 56 und 58 eine Dampfsperre 74. Diese Dampfsperre ist jedoch für die Extrusionsvorrichtung nicht unbedingt notwendig. Das die Übergangszone 52 bildende Schneckenelement 58 hat

einen länglichen Körper, der eine im allgemeinen zylindrische Außenfläche 60 und einen konstanten oder abnehmenden Kerndurchmesser besitzt. Es ist natürlich auch möglich, eine Schnecke mit einem veränderlichen Kerndurchmesser zu verwenden. Auf dem Kern sind axial beabstandete erste und zweite Gewindegänge 62 und 64 vorgesehen, die sich von der Außenfläche 60 nach außen erstrecken und im allgemeinen schraubenförmig entlang der Länge des Schneckenkörpers erstrecken. Gemäß den Figuren 5 und 6 stellen der erste und der zweite Gewindegang 62 und 64 tatsächlich eine Folge von Schraubenwicklungen dar, wobei sich die beiden Gewindegänge entlang dem Körper abwechseln. Man erkennt außerdem, daß die Höhe des ersten Gewindegangs 62, also der Abstand von der Fläche 62 zur Außenfläche des Gewindegangs geringer als für den zweiten Gewindegang 64 ist. In der dargestellten Ausführungsform beginnt der erste Gewindegang 62 bei einer Höhe von Null und nimmt fortschreitend zu, und zwar während etwa 1 1/4 Umdrehungen des Gewindegangs, bis die Höhe des ersten Gewindeganges 62 der des zweiten Gewindeganges 64 entspricht. Diese allmähliche Zunahme der Gewindeganghöhe ist am besten den Figuren 5 und 6 entnehmbar, während der Anfangs- oder Nullpunkt 66 des ersten Gewindegangs 62 in Figur 3 erkennbar ist.

Wie weiter unten näher erläutert wird, hat die Übergangszone 52 die Aufgabe, den Strom von rauhem, grobem Material zu glätten, welcher durch den Extruder läuft, um eine Verlegen der Vorrichtung zu verhindern.

Die Kompressionszone 54 nimmt den Rest der Länge des Extruder-Zylinders 27 ein, d.h. die Kompressionszone 54 liegt in den Stücken 40 bis 48. Die Kompressionszone 54 ist aus ein oder mehreren Doppelschraubenschnecken gebildet, beispielsweise aus den Schneckenelementen 68

und 70, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind. Außerdem weist die Kompressionszone 54 ein konisches Schneckenelement 72 auf, das innerhalb des Stücks 48 gemäß Figur 4 liegt. Gegebenenfalls liegt eine Dampfsperre 74 zwischen den jeweiligen Schneckenelementen, welche die gesamte Kompressionszone 54 bilden.

Es ist dem Fachmann klar, daß die beschriebenen Schnekkenelemente im wesentlichen rohrförmig aus einzelnen Abschnitten aufgebaut sind und eine Mittelbohrung aufweisen. Der gesamte Extruder ist üblicherweise mit einer mittleren, angetriebenen Keilwelle ausgestattet, welche die die gesamte Schnecke 32 bildenden Schneckenelemente sowie die Dampfsperren aufnimmt. Der rohrförmige Aufbau des Schneckenelements 58 ist in Figur 6 bei 76 dargestellt.

Die Düse 30 weist folgende Bauelemente auf: Ein längliches, rohrförmiges, axial verschiebbares Kolbenkopfstücke 78, eine längliche, axial drehbare und teilweise in dem Kolbenkopfstück 78 angeordnete Düsennadel 80, Hydraulikeinrichtungen 82, die mit dem Kolbenkopfstück 78 funktionsmäßig gekoppelt sind und zum axialen Verschieben des letzteren in beiden axialen Richtungen dient, Druckfühler 84, die funktionsmäßig in dem Zylinder 27 angeordnet sind und zum Messen des darin herrschenden Druckes dienen, und Kopplungseinrichtungen 86, welche die Druckfühler 84 und die Hydraulikeinrichtung 82 funktionsmäßig verbinden.

Das Kolbenkopfstück 78 weist eine Seitenwand 86 sowie innere, Bohrungen definierende Wandbereiche auf, welche zusammen eine kontinuierliche Bohrung 88 bilden, die sich durch die Länge des Kolbenkopfstücks 78 erstrecken.

Insbesondere ist ein erster kegelstumpfartiger Wandab-

schnitt 90 vorgesehen, der sich von dem extremen Einlaßende des Kolbenkopfstücks 78 konvergierend nach innen erstreckt. Ein zweiter kegelstumpfförmiger Wandabschnitt 92 mit einem ersten Ende von größtem Durchmesser 94 und einem zweiten Ende von kleinstem Durchmesser 96 ist ebenso wie ein dritter Wandabschnitt 98 des zylindrischen Aufbaus vorgesehen, der sich um das zweite Ende von kleinstem Durchmesser 96 des Wandabschnitts 92 erstreckt.

Die Wandabschnitte 90 und 92 bilden zusammen einen kegelstumpf förmigen Einlaßenden-Bohrungsabschnitt, während der Wandabschnitt 98 einen Auslaßenden-Bohrungsabschnitt von im wesentlichen konstantem Durchmesser bildet. Der Durchmesser des Bohrungsabschnitts am Auslaßende ist im wesentlichen gleich groß wie der Durchmesser des kleinsten Endes 96 des Wandabschnitts 92, welcher frei von Hindernissen für die Materialdurchströmung ist.

Die Außenfläche des Kolbenkopfstücks 78 hat einen unregelmäßigen Aufbau und weist vier über den Umfang verteilte, periphere Vertiefungen auf, die nicht dargestellt sind und an dem Auslaßende des Kopfstücks 78 liegen, während ein ringförmiger, nach außen vorstehender Aufbau 100 zwischen dem Einlaß- und Auslaßende des Kolbenkopfstücks 78 liegt. Jeweils glatte, zylindrische Auflageflächen 102 und 104 erstrecken sich in entgegengesetzten Richtungen von den gegenüberliegenden Enden des Aufbaus 100 zu nachfolgend erläutertem Zweck.

Die Düsennadel 80 hat eine längliche, kegelstumpfförmige Form und wird von einer glatten, konvergierenden Seitenwand und einer kreisförmigen Stirnwand gebildet.

Das den größten Durchmesser aufweisende Ende der Düsen-

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nadel 80 setzt an dem Ende des konischen Schneckenelements 72 an, welches den kleinsten Durchmesser hat und bildet daher einen Fortsatz des letzteren. Die Düsennadel 80 dreht sich daher während des Betriebs der Extrusionsvorrichtung zusammen mit dem Schneckenelement 72. Vorzugsweise ist die Düsennadel 80 einstückig mit dem Schneckenelement 72.

Man erkennt in Figur 4, daß die konvergierende Seitenwand der Düsennadel 80 in bezug auf den Wandabschnitt 92 komplementär geformt ist, um dadurch eine ringförmige Extrusionsöffnung 106 zwischen der Seitenwand der Düsennadel 80 und dem Wandabschnitt 92 zu bilden. Man erkennt auch, daß der Querschnitt der Extrusionsöffnung 106 durch Axialverschiebung des Kolbenkopfstücks 78 in näher zu erläuternder Weise verändert werden kann.

Die insgesamt einstellbare Düse 30 weist ein ringförmiges, /mit Öffnungen versehenes stationäres Teil 108 auf, das in der dargestellten Weise mit dem Auslaßende des die Kompression bewirkenden Stücks 48 verschraubt ist. Die innerste Fläche des stationären Teils 108 ist glatt und kreisförmig und weist eine kreisförmige Vertiefung auf, in der eine Dichtung 110 liegt. Das stationäre Teil 108 ist so geformt, daß es zusammen mit den Auflageflächen 102 und 104 und mit dem Aufbau 100 erste und zweite Hydraulikfluidkammern 112 und 114 bildet. Ein Paar von Bohrungen 116, 118 durchsetzt das stationäre Teil 108 und steht mit den Hydraulikfluidkammern 112, 114 in Verbindung. Schematisch dargestellte Leitungen 120, 122 für Hydraulikfluid sind an die jeweilige Bohrung 116 bzw. 118 gemäß Figur 4 angeschlossen.

Die Hydraulikeinrichtung 82 hat einen üblichen Aufbau und ist daher nur schematisch dargestellt. Der Fachmann

weiß jedoch, daß und wie die Hydraulikeinrichtung 82 Hydraulikfluid unter Druck entweder zur Bohrung 112 oder zur Bohrung 114 leitet, und zwar in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Zylinder 27, die von dem Druckfühler 84 gemessen werden. Die Hydraulikeinrichtung 82 weist somit ein übliches Hydraulikfluidreservoir, eine Hydraulikpumpe und Magnetventile auf.

Der Druckfühler 84 ist üblicherweise ein Druckwandler, der in einer geeigneten Bohrung angeordnet ist, die sich durch die Seitenwand des Kompressionsstücks 48 erstreckt. Der Druckfühler 84 kann somit die Druckverhältnisse in dem Zylinder 27 am Einlaß zur Düse 30 messen. Falls übermäßige Druckverhältnisse im Zylinder 27 gemessen werden, wird Hydraulikfluid in die Hydraulikf luidkammer 112 eingeleitet, wodurch das Kolbenkopfstück 78 in Figur 4 nach rechts verschoben wird und dadurch den Querschnitt der Extrusionsöffnung 106 vergrößert, wodurch der Druck abfällt. Wird andererseits ein zu geringer Druck gemessen, so wird Hydraulikfluid in die Hydraulikfluidkammer 114 eingeleitet und dadurch das Kolbenkopfstück 78 in Figur 4 nach links verschoben, wodurch der Querschnitt der Düsenöffnung 106 verringert und die Zylindertemperatur erhöht wird.

Die zuvor beschriebene Düse 30 ist in der US-Patentanmeldung 06/210684 vom 26. November 1980 in Einzelheiten beschrieben. Auf die Offenbarung dieser Anmeldung, bzw. anderer paralleler Anmeldungen wird hiermit ausdrücklieh Bezug genommen.

Außerdem kann eine externe hydraulische Kolben- und Zylinderanordnung anstelle der zum Verschieben des Kolbenkopfstücks 78 beschriebenen internen Einrichtung verwendet oder zu ihrer Unterstützung eingesetzt werden.

Es hat sich gezeigt, daß die Extrusion von Stoffen wie Holzschnitzeln, holzartigen Stoffen, Papier, feste Abfallstoffe einer Gemeinde, Ernterückstände und ganze oder gemahlene Sojabohnen mit der beschriebenen Vorrichtung wesentlich verbessert werden kann. Allgemein gesprochen besteht die Wirkung der Übergangszone in Verbindung mit der einstellbaren Düse 30 darin, die Strömung in dem Zylinder 27 des Extruders auszugleichen, um eine Verlegen zu verhindern. Es hat sich gezeigt, daß die Übergangszone 52 die Scherkräfte auf das Material zwischen der geringe Scherkräfte aufweisenden Einzugszone 50 und der hohe Scherkräfte aufweisenden Kompressionszone 54 allmählich steigert, während die einstellbare Düse 30 eine gute Kontinuität des Betriebs durch Zuordnung der Düsenquerschnittsöffnung zur Menge des einlaufenden Materials und zu den darauf wirkenden Scher- und Arbeitsbedingungen beibehält. Diese Komponenten erleichtern die manchmal schwierige Extrusion von unbearbeiteten, groben Stoffen, wie sie zuvor beschrieben wurden, sehr wesentlich. Prüfversuche mit bekannten Extrusionsvorrichtungen haben für das Extrudieren von Holzspänen zu einem Verlegen oder zu einem unökonomischen Betrieb geführt, während die erfindungsgemäße Vorrichtung das gleiche Einsatzprodukt ohne Schwierigkeiten verarbeiten konnte.

Bei der Extrusion von Zellulose- oder faserhaltigen Stoffen setzt man zweckmäßigerweise vor oder während des Extrusionsprozesses Flüssigkeit hinzu, um einen gesamten Feuchtigkeitsgehalt, d.h. Eigenfeuchtigkeit plus zugesetzter Feuchtigkeit, von etwa 5 bis 75 Gew.% und vorzugsweise von etwa 30 bis 50 Gew.% zu erhalten. Während der Extrusion soll die Temperatur in dem Zylinder 27 des Extruders auf etwa 100 bis 340⁰C gehalten werden. Die Druckverhältnisse in dem Zylinder 27 soll-

ten über etwa 14 bar liegen, vorzugsweise zwischen etwa 14 bar bis 350 bar und insbesondere zwischen etwa 53 bis 105 bar. Das Material soll während der Extrusion in dem Zylinder 27 etwa 15 bis 200 Sekunden lang gehalten werden, vorzugsweise etwa 30 bis 60 Sekunden lang. Dies wird nicht nur durch Einstellung der Drehzahl der Schnecke 32, sondern auch durch Einstellung des freien Querschnitts der Extrusionsöffnung 106 zwischen der Düsennadel 80 und dem Wandabschnitt 92 erreicht. Beispielsweise beträgt dieser Abstand etwa 0,025 mm bis etwa 12,7 mm, vorzugsweise 0,25 mm bis etwa 5 mm. Wie bereits erwähnt erfolgt diese Einstellung vorteilhafterweise in Abhängigkeit von den Druckverhaltnxssen innerhalb des Zylinders 27.

Bei der Extrusion von Holzschnitzeln zur Erzeugung eines zerfaserten Produkts, welches für die Herstellung von Faserplatten geeignet ist, werden Holzspäne von geeigneten mittleren Abmessungen, beispielsweise 25 mm so genommen, wie sie sind, ohne daß sie vorgeweicht oder vorgefeuchtet werden, und sie werden so in den Zylinder 27 der Extrudervorrichtung 20 eingespeist. Bei manchen Holzarten kann es jedoch zweckmäßig sein, das Holz vorher anzufeuchten. Als Holz kann praktisch jedes Holz verwendet werden, also Hartholz und Weichholz. Typischer Hölzer sind Gummibaum, Espenholz, Pappelholz, Pinien- oder Walnußholz, welche typischerweise einen Feuchtigkeitsgehalt von 20 bis 60 Gew.% haben. Der Extruder wird normalerweise mit 75 bis 600 U/Min, vorzugsweise mit 150 bis 300 U/Min betrieben.

Während des anfänglichen Anlaufens saugt und bläst die Vorrichtung normalerweise, was durch Veränderung des wirksamen Querschnitts der Extrusionsöffnung 106 geregelt wird, bis diese Öffnung der Beschickungsrate für

Holzschnitzel entspricht. Wenn sich ein kontinuierlicher Betrieb eingestellt hat, dann wird die Düse 30 so eingestellt, daß ihre Düsenöffnung 106 sich verändert, wenn der Druck im Zylinder 27 deutlich von beispielsweise 70 bar abweicht. Dieser Einstellwert läßt sich über einen beträchtlichen Bereich verändern, welcher von der Art des gewünschten Endprodukts abhängt, nämlich ob dieses kleinere oder größere Teilchengrößen haben soll.

Bei der Extrusion von städtischen Abfallfeststoffen und Ernterückständen gilt im wesentlichen das zuvor Gesagte. Typischerweise sollte der gesamte Feuchtigkeitsgehalt derartiger Einsatzprodukte im Mittel etwa 40 Gew. ° haben und die Druckeinstellung für die Düsenanordnung liegt üblicherweise bei etwa 70 bar.

BAÖ ORIGINAL

Claims

UEXKÜLL & STOLBERG

PATENTANWÄLTE

BESELERSTRASSE 4 D-20O0 HAMBURQ 52

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

DR J D FRHR von UEXKULL DR ULRICH GRAF STOLBERG DlPL ING. JÜRGEN SUCHANTKE DIPL ING. ARNULF HUBER DR ALLARD von KAMEKE DR KARL-HEINZ SCHULMEYER

WENGER MANUFACTURING
Sabetha, Kansas,

V.St.A.

(Prio.: 26. Nov. 1982

US 06/444 807 -

20336/HU/wo)

November 1983

Vorrichtung und Verfahren zur Extrusion von zellulosehaltigen Stoffen

Patentansprüche

Extrusionsvorrichtung, gekennzeichnet durch:

- einen länglichen Körper, der eine im allgemeinen zylindrische Außenfläche besitzt und durch

- einen Aufbau, der jeweils axial beabstandete, erste und zweite Schraubengänge aufweist, die sich von der Oberfläche nach außen erstrecken und entlang der Länge des Körpers im allgemeinen schraubenförmig verlaufen,

- wobei die ersten und zweiten Schraubengänge jeweils eine Folge von Schraubenabschnitten bilden, die sich entlang der Länge des Körpers abwechseln, und

- wobei die Höhe der ersten Schraubengänge geringer als die Höhe der zweiten Schraubengänge ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der ersten Schraubengänge allmäh-

-(O lieh und fortschreitend zunimmt, bis sie der Höhe der zweiten Schraubengänge entspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der ersten Schraubengänge auf

-\ 5 die der zweiten Schraubengänge über etwa 1 1/4 bis 10 Umdrehungen der ersten Schraubengänge ansteigt, obgleich mehr oder weniger Umdrehungen vorgesehen sein können.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndurchmesser des Körpers über seine Länge im wesentlichen konstant ist.
5. Extruder, gekennzeichnet durch:

- ein länglicher Zylinder, der an einem Ende einen Materialeinlaß und an seinem anderen Ende einen Materialauslaß aufweist;

- eine längliche, um die Achse drehbare Schnecke und Dampfsperren, welche beide von einer Keilwelle in dem Zylinder zur Förderung des Mate

rials von dem Einlaßende zu dem Auslaßende getrieben sind,

- wobei die Schnecke ein Schneckenelement und Dampfsperren sowie die folgenden Merkmale aufweist:

- einen länglichen Körper, der eine im allgemeinen zylindrische Außenfläche aufweist und

- einen Aufbau, der jeweils axial beabstandete, erste und zweite Schraubengänge bildet, die sich von der Oberfläche nach außen erstrecken

und entlang der Länge des Körpers im allgemeinen schraubenförmig verlaufen,

- wobei die ersten und zweiten Schraubengänge jeweils eine Folge von Schraubenflächen bilden, wobei die ersten und zweiten Schrau

benflächen einander entlang der Länge des Körpers abwechseln, und wobei

- die Höhe der ersten Schraubengänge geringer als die Höhe der zweiten Schraubengänge ist, und durch

- eine Düse am Auslaßende des Zylinders zur Bildung einer Extrusionsoffnung, wobei die Düse Einrichtungen zum Verändern des wirksamen Querschnitts der Düsenöffnung während des Betriebs des Extruders besitzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der ersten Schraubengänge allmählich und fortschreitend zunimmt, bis sie der Höhe der zweiten Schraubengänge entspricht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndurchmesser des Körpers über seine Länge im wesentlichen konstant ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse die folgenden Merkmale aufweist:

- ein rohrförmiges Kopfstück mit einem Materialbeschickungsende, einem Materialabgabeende und inneren Bohrungswandabschnitten;

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- ein längliches, um die Achse drehbares Element, das zumindest teilweise in der Bohrung liegt und zumindestens einem Teil der bohrungsbildenden Wandabschnitte komplementär geformt ist, um eine Extrusionsöffnung zwischen der Außenfläche des

Elements und dem Teil der Wandabschnitte zu bilden ; und

- Einrichtungen zum axialen Verschieben des Kopfstücks oder des Elements in bezug auf das andere zur Veränderung des wirksamen Querschnitts der

Extrusionsöffnung.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bohrungsbildenden Wandabschnitte einen kegelstumpfformigen Einlaßendbohrungsabschnitt bilden, der ein Ende mit größtem Durchmesser am Einlaßende des Kopfstücks und eine Ende mit kleinstem Durchmesser im Mittelbereich des Kopfstücks aufweist, wobei die Wandabschnitte ferner einen Auslaßende-Bohrungsabschnitt bilden, der mit dem Einlaßende-Bohrungsabschnitt in Verbindung steht, wobei der Durchmesser des Auslaßende-Bohrungsabschnitts über seine gesamte Länge im wesentlichen gleich groß wie der Durchmesser des Endes mit kleinstem Durchmesser des kegelstumpfformigen Einlaßende-Bohrungsabschnitts ist, daß das kegelstumpfförmige Element komplementär mit mindestens einem Teil des kegelstumpförmigen Einlaßende-Bohrungsabschnitts geformt ist, um eine ringförmige Extrusionsöffnung zwischen dem Element und den Wandabschnitten zu bilden, die den Teil des kegelförmigen Einlaßende-Bohrungsabschnitts bilden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungseinrichtung Einrichtun-

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gen aufweist/ welche das Kopfstück zur axialen Verschiebung in bezug auf das Element halten.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verschieben des Kopfstücks in Abhängigkeit von Druckänderungen in dem Extruder.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch:

- Hydraulikeinrichtungen, die an das Kopfstück funktionsmäßig angeschlossen sind und zur wahlweisen axialen Verschiebung des Kopfstücks in beiden axialen Richtungen dient;

- eine funktionsmäßig in dem Extruder angeordnete Einrichtung zum Messen des darin herrschenden Drucks; und

- eine die Druckmeßeinrichtung und die Hydraulikeinrichtung funktionsmäßig koppelnde Einrichtung zur Betätigung der letzteren für eine axiale Verschiebung des Kopfstücks in einer gewünschten axialen Richtung.
13. Verfahren zum Extrudieren eines Zellulose- oder faserhaltigen Stoffes, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Auswahl einer Menge eines Stoffes wie Holz, holzartiges Material, Papier, städtische Abfallfeststoffe, Ernterückstände und/oder Mischungen davon, wobei der Stoff einen gesamten Feuchtigkeitsgehalt von etwa 5 bis 75 Gew.% hat;

- Einleitung dieses Stoffes in den länglichen Zylinder eines Extruders und Drehen der Extruderschnecke zur Förderung des Stoffes entlang der Länge des Zylinders;

- wobei der Übertragungsschritt das allmähliche Erhöhen der Scher- und Kompressionskräfte ein-

schließt, die auf das Material während seiner Bewegung entlang der Länge des Zylinders ausgeübt werden; und

- Extrudieren des Stoffes durch eine Düse, wobei der Querschnitt der Düse während des Betriebs

des Extruders nachgestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitsgehalt etwa 30 bis 50 Gew.% beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem Extruderzylinder

bei etwa 100⁰C bis etwa 340⁰C gehalten wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, (
liegt.

net, daß die Temperatur bei etwa 150⁰C bis 200⁰C
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Extruder zylinder auf mehr als 14 bar gehalten wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zwischen 14 und etwa 350 bar liegt.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zwischen etwa 52 bis 105 bar liegt.
20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff in dem Zylinder etwa 15 bis 200 Sekunden lang gehalten wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Zeitraum etwa 30 bis 60 Sekunden beträgt.
22. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Abmessungen der Düse in Abhängigkeit von den Druckzuständen in dem Zylinder eingestellt werden.
23. Extruder, gekennzeichnet durch:

- einen länglichen Zylinder, der an einem Ende einen Materialeinlaß und an seinem anderen, stromabwärts davon liegenden Ende einen Materialauslaß aufweist;

- eine längliche, in dem Zylinder um eine Achse

drehbare Schnecke zur Förderung des Stoffes von dem Einlaßende zu dem Auslaßende, wobei die Schnecke aufweist:

- eine Einzugszone in der Nähe des Einlaßendes des Zylinders, welche einen eingängigen

^; Schneckenabschnitt aufweist;

- eine Übergangszone stromabwärts von der Einzugszone, welche erste und zweite Schraubengänge aufweist, die jeweils eine Folge von schraubenförmigen Abschnitten darstellen, wo

bei sich erste und zweite Schraubengänge entlang der Länge der Übergangszone abwechseln und wobei die Höhe des ersten Schraubenganges geringer als die Höhe des zweiten Schraubenganges ist; und

- eine Kompressionszone stromabwärts von der Übergangszone, die sich in Richtung auf das Auslaßende erstreckt und einen Doppelschrauben-Schneckenabschnitt besitzt, wobei die Doppelschrauben von im wesentlichen konstanter

Höhe sind; und

eine Düse am Auslaßende des Zylinders zur Bildung einer Extrusionsöffnung.

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