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DE10008531A1 - Verfahren zum Behandeln eines Produktes in zumindest einem Mischkneter - Google Patents

Verfahren zum Behandeln eines Produktes in zumindest einem Mischkneter

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DE10008531A1
DE10008531A1 DE10008531A DE10008531A DE10008531A1 DE 10008531 A1 DE10008531 A1 DE 10008531A1 DE 10008531 A DE10008531 A DE 10008531A DE 10008531 A DE10008531 A DE 10008531A DE 10008531 A1 DE10008531 A1 DE 10008531A1
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kneader
mixing
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Abstract

Bei einem Verfahren zum kontinuierlichen Eindampfen bzw. zur thermischen Behandlung von zähviskosen Produkten in einem Mischkneter mit zumindest einer mit Misch- bzw. Knetelementen (11) bestückten Rührwelle (7-10, 21) wird eine niedrigviskose Produktlösung in eine voreingedampftes viskoses Produktbett so eingemischt, dass der Energieeintrag, bestehend aus mechanischer Knetenergie und Wärmeübertragung über den Kontakt mit der Kneterwärmeaustauschfläche und damit die Verdampfungsgeschwindigkeit maximal ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Eindampfen bzw. zur thermischen Behandlung von zähviskosen Produkten, insbesondere Elastomeren und Thermoplasten, in einem Mischkneter mit zumindest einer mit Misch- bzw. Knetelementen bestückten Rührwelle.
Die industrielle Herstellung von zähviskosen Produkten, insbesondere von Elastomeren und Plasten erfolgt häufig unter Verwendung von Lösungsmitteln, wobei diese Lösungsmittel am Ende des Herstellprozesses durch thermische Abtrennung (Eindampfung) wieder entfernt werden müssen. Vor allem geht es im vorliegenden Ausführungsbeispiel um das kontinuierliche Eindampfen und Entgasen einer Elastomer-Lösung, wobei ein wärmeübergangslimitierter Abschnitt und ein stoffübergangslimitierter Abschnitt zu unterscheiden sind.
Die entsprechenden Trennverfahren werden in der Regel in gerührten Wärmeaustauschern und sogenannten Mischknetern durchgeführt, in denen das Produkt durch entsprechende Knet- und Transportelemente von einem Einlass zu einem Auslass transportiert und gleichzeitig mit den Wärmeaustauschflächen in intensiven Kontakt gebracht wird. Derartige Mischkneter sind bspw. in der DE-PS 23 49 106, der EP 0 517 068 A1 und der DE 195 36 944 A1 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den wärmeübergangslimitierten Abschnitt der Verdampfung zu optimieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass in ein voreingedampftes viskoses Produktbett kontinuierlich neue niedrig viskose Produktlösung derart eingemischt wird, dass die Viskosität und Konzentration dieses Produktbettes so eingestellt wird, dass der Energieeintrag bestehend aus mechanischer Knetenergie und Wärmeübertragung über den Kontakt mit der Kneterwärmeaustauschfläche maximal ist.
Dies geschieht bevorzugt in einem Mischkneter, der eine gute Rückmischung aufweist. Dabei handelt es sich bevorzugt um einen sogenannten LIST-DTB-Mischer, der auch in der oben erwähnten DE-PS 23 49 106 dargestellt ist. In diesem Mischer wird das Produkt nicht nur vom Einlass zum Auslass transportiert, sondern durch Rückmischung mit neuem Produkt im ganzen Apparat auch wieder homogen vermischt.
Für das Produkt selbst wird vorab festgestellt, bei welchem Prozentsatz an vorhandenem, flüssigem Bestandteil die Summe aus Wärmeübertragung durch Kontaktwärme und Wärmeeinbringung durch Scherwärme maximal und damit die Verdampfungsgeschwindigkeit am höchsten ist. Dementsprechend wird dann versucht, in dem Mischkneter mit guter Rückmischung das Produkt auf diesem Prozentsatz mit Lösungsmittel zu halten, was durch dosierte kontinuierliche Zugabe von neuem Produkt geschieht, welches immer dünnflüssiger ist und einen höheren Prozentsatz eines Lösungsmittels beinhaltet. Auf diese Weise kann eine Konzentration eingestellt werden, bei welcher die erforderliche Verdampfungsenergie bestehend aus Kontaktwärme und Scherwärme optimiert ist.
Ist das Produkt bei hohem Lösungsmittelanteil anfänglich noch sehr flüssig, so erfolgt das Verdampfen im wesentlichen über die Kontaktwärme, die aus einem geheiztem Gehäusemantel, einer geheizten Welle und/oder geheizten Knetgegenelementen kommt. Je viskoser das Produkt durch die Eindampfung wird, desto mehr nimmt die Kontaktwärmeübertragung ab und umso mehr Scherwärme kommt hinzu, wobei die Summe von beiden ein Maximum durchläuft. Ab einer bestimmten Verminderung des Prozentsatzes an flüssigen Bestandteilen nimmt jedoch die Verdampfungsgeschwindigkeit ganz erheblich ab, da nicht mehr genügend Lösungsmittel vom Gutsinneren an die Oberfläche nachgeliefert werden kann. Erfindungsgemäss soll deshalb der Bestandteil an bspw. Lösungsmittel in einem Prozentbereich gehalten werden, der nahe am Maximum aber unbedingt noch oberhalb dieser Einbruchstelle der Verdampfungsgeschwindigkeit liegt.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat ferner den Vorteil, dass bei der erhöhten Arbeitsintensität eine Schaumbildung, die von der Flash-Dosierung des Produktes in den Mischkneter herrührt, gebrochen wird, wodurch der Wärmeenergieeintrag nochmals verbessert wird. Die zur Eindampfung benötigte Verdampfungsenergie wird dementsprechend durch die Kombination von Kontaktwärme und Scherwärme maximiert. Die Möglichkeit über die Verdampfung von Lösungsmittel die Produkttemperatur konstant zu halten erlaubt einen hohen Freiheitsgrad in Bezug auf die Regulierung der Scherwärme über die Drehzahl (Schergefälle) und den Füllgrad des Mischkneters.
Im nachgeschalteten zweiten Mischkneter wird das Produkt durch eine entsprechende Geometrie der Knetelemente einer Pfropfenströmung unterworfen. In diesem zweiten Mischkneter findet die stoffübergangslimitierte Eindampfung statt, weshalb hier bevorzugt zweiwellige Mischkneter verwendet werden, die unter dem Namen LIST-ORP (EP 0 517 068 A1) und LIST-CRP (DE 195 36 944 A1) im Handel sind. In diesem Mischkneter mit Pfropfenströmung ist wesentlich, dass die Oberfläche des Produktes möglichst schnell erneuert wird, da von dieser Oberfläche die Flüssigkeit abdampft. Da sich die Verdunstungsstellen mehr und mehr in das Gutsinnere zurückziehen, müss die Produktoberfläche durch intensivers Kneten permanent erneuert werden. Ferner ist eine gute Produkttemperaturkontrolle notwendig.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Behandeln eines Produktes in zumindest einem Mischkneter;
Fig. 2 eine Frontansicht eines Teils der Vorrichtung gemäss Fig. 1.
In Fig. 1 sind zwei Mischkneter 1 und 2 miteinander verbunden. Bei dem Mischkneter 1 handelt es sich um einen Kneter mit einer guten Rückmischung, wie er bspw. unter der Bezeichnung LIST-DTB auf dem Markt ist. Auf diesen DTB bezieht sich die DE-PS 23 49 106. Ein Mischkneter mit guter Rückmischung zeichnet sich dadurch aus, dass das Produkt im gesamten Mischkneter homogen miteinander vermischt wird.
Bei dem Mischkneter 2 handelt es sich dagegen um einen Kneter mit einer sogenannten Propfenströmung, wie er bspw. unter dem Namen LIST-CRP oder LIST-ORP auf dem Markt ist. Die entsprechenden Schutzrechte hierfür sind in der EP 0 517 068 und der DE 195 36 944 A1 veröffentlicht. Bei einem Mischkneter mit guter Propfenströmung wird das Produkt vom Einlass zum Auslass transportiert, ohne dass eine axiale Vermischung mit dem nachfolgenden Produkt stattfindet. Deshalb befindet sich in der Regel ein Einlass 3 für das Produkt an einem Ende des Mischkneters und ein Auslass 4, der im vorliegenden Fall als eine Austragsdoppelschnecke ausgebildet ist, am anderen Ende des Mischkneters 2.
Der Mischkneter 1 besitzt dagegen einen Einlass 5 etwa in der Mitte des Mischkneters und eine Austragsdoppelschnecke 6 am Ende des Mischkneters 1. In beiden Mischknetern sind jeweils zwei Wellen 7 und 8 bzw. 9 und 10 angedeutet, an denen Misch-, Transport- bzw. Knetelemente 11 angeordnet sind, die mit den Wellen drehen, wie dies unter anderem in den o. g. Schutzrechten beschrieben ist.
In einer Zuleitung 12 zu dem Einlass 5 ist eine Pumpe 13, ein Wärmetauscher 14 und ein Druckhalteventil 15 eingeschaltet. Diese als Flasheinrichtung bezeichnete Vorrichtung heizt das Produkt vor.
In dem Mischkneter 1 wird ein grosser Teil des flüssigen Bestandteils des Produktes ausgedampft, wobei dem Mischkneter 1 Wärme zugeführt wird. Hierzu können bspw. ein Gehäusemantel 16, die Kneterwellen 7 und 8 bzw. die Knetelemente 11 beheizt werden. Der ausgedampfte Bestandteil verlässt den Mischkneter 1 über ein Brüdendom 17, wobei in eine entsprechende Ableitung 18 ein Kondensator 19 und eine Inertgaspumpe 20 eingeschaltet sind.
In Fig. 2 ist im übrigen dargestellt, dass der Mischkneter 1 auch nur eine Welle 21 aufweisen kann.
Das von dem flüssigen Bestandteil weitgehend befreite Produkt wird aus dem Mischkneter 1 durch die Austragsdoppelschnecke 6 ausgetragen und über eine Leitung 22 und ein Druckhalteventil 23 dem Einlass 3 des Mischkneters 2 zugeführt. Auch dieser Mischkneter 2 weist einen Brüdendom 24 auf, der in eine Ableitung 25 übergeht, in die ein Kondensator 26 bzw. eine Inertgaspumpe 27 eingeschaltet sind.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Beispiels näher erläutert:
In 77% Cylohexan ist bspw. ein Elastomer, nämlich Styrol- Butadien-Styrol (SBS), gelöst. In einem Batch-Versuch wurde das Eindampf- und Entgasungsverhalten dieses gelösten Elastomer untersucht und die Verdampfungsgeschwindigkeit über die Zeit dargestellt. Von 77% bis auf 40% Lösungsmittelkonzentration ist die Verdampfungsgeschwin­ digkeit hauptsächlich von der Kontaktwärme des Produktes mit dem geheizten Gehäusemantel, den geheizten Wellen 7 und 8 und den geheizten Knetelementen 11 abhängig.
Im Bereich von 40% bis 25% des Lösungsmittels nimmt die Knetenergie infolge der steigenden Viskosität des Produktes (bis 1300 Pas bei 80 s-1 Schergefälle) erheblich zu, ohne dass dabei die Kontaktwärmeübertragung wesentlich abnimmt. Das bedeutet, dass zu der Kontaktwärme eine erhebliche Scherwärme hinzutritt. Gleichzeitig ist aber die Lösungsmittelkonzentration noch hoch genugt, damit der gesamte Energieeintrag zur Verdampfung des Lösungsmittels genutzt werden kann, so dass die Produkttemperatur konstant bleibt. Damit wird in diesem Bereich die Effektivität des Kneters maximiert.
Unterhalb von 23% Lösungsmittel verlangsamt sich die Verdampfungsgeschwindigkeit drastisch. Dies kommt daher, weil an der Produktoberfläche nicht mehr genügend Lösungsmittel vorhanden ist und der Lösungsmittelnachschub aus dem Inneren gebremst ist. Damit verlangsamt sich die Trocknungsgeschwindigkeit erheblich. Der Beginn dieser Geschwindigkeitsabnahme ist durch einen scharfen Knick in der Trocknungskurve gekennzeichnet.
Erfindungsgemäss wird dieses Produktverhalten in dem Mischkneter 1 mit guter Rückmischung ausgenutzt, indem die Konzentration des Lösungsmittels immer bei etwa 25% Cyclohexan gehalten wird. Dies erfolgt über eine Steuerung der Zulaufmenge an frischem Produkt und über eine Regulierung der Knetenergie mittels der Wellendrehzahl und dem Füllgrad.
Als weiterer Vorteil konnte beobachtet werden, dass bei Einhaltung dieser Konzentration keine Schaumbildung auftritt, was zu einem besseren Wärmedurchgangskoeffi­ zienten führt. Die verfahrensgemässe Fahrweise des Mischkneters 1 ist von grossem Einfluss auf den "Scale-up" des hier durchgeführten wärmeübergangsbestimmten Trockungsabschnittes.
Die so eingedampfte Lösung wird mittels der Austragdoppelschnecke 6 aus dem Mischkneter 1 kontinuierlich ausgetragen, gleichzeitig durch Scherung in der Schnecke aufgewärmt und in den Mischkneter 2 eingeflasht. In diesem Mischkneter 2 wird ein stoffübergangslimitierter Trocknungsabschnitt durchgeführt, bei dem im wesentlichen keine Oberflächenverdunstung mehr stattfindet. Die Verdunstungsstellen, deren Gesamtheit den sogenannten Trocknungsspiegel darstellt, ziehen sich mehr und mehr in das Gutsinnere zurück. Die Flüssigkeit muss diffundieren.
Für diesen Verfahrensabschnitt ist der Mischkneter 2 auf Grund der Wellengeometrie und der Kinematik mit einer maximalen Oberflächenerneuerung, Propfenströmung und guter Produkttemperatur-Kontrollmöglichkeit ausgestattet.
Das entgaste Elastomer wird am Schluss mit der zweiten Austragdoppelschnecke 4 aus dem Mischkneter 2 ausgetragen. Das Elastomer beinhaltet noch einen Restlösungsmittelgehalt unter 1000 ppm.
Positionszahlenliste
1
Mischkneter
2
Mischkneter
3
Einlass
4
Austragdoppelschnecke
5
Einlass
6
Austragdoppelschnecke
7
Wellen
8
Wellen
9
Wellen
10
Wellen
11
Knetelemente
12
Zuleitung
13
Pumpe
14
Wärmetauscher
15
Druckhalteventil
16
Gehäusemantel
17
Brüdendom
18
Ableitung
19
Kondensator
20
Pumpe
21
Welle
22
Leitung
23
Druckhalteventil
24
Brüdendom
25
Ableitung
26
Kondensator
27
Pumpe

Claims (10)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Eindampfen bzw. zur thermischen Behandlung von zähviskosen Produkten, insbesondere Elastomeren und Thermoplasten, in einem Mischkneter mit zumindest einer mit Misch- bzw. Knetelementen (11) bestückten Rührwelle (7-10, 21), dadurch gekennzeichnet, dass in ein voreingedampftes viskoses Produktbett kontinuierlich neue niedrig viskose Produktlösung derart eingemischt wird, dass die Viskosität und Konzentration dieses Produktbettes so eingestellt wird, dass der Energieeintrag bestehend aus mechanischer Knetenergie und Wärmeübertragung über den Kontakt mit der Kneterwärmeaustauschfläche maximal ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Knetenergie durch Veränderung der Drehzahl und/oder des Füllgrades des Mischkneters (1) beeinflusst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt in dem Mischkneter (1) kontinuierlich rückgemischt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt kontinuierlich aus dem Mischkneter (1) ausgetragen und in einen zweiten Mischkneter (2) eingegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt beim Austragen aus dem Mischkneter (1) aufgeheizt wird, bevor es in den Mischkneter (2) gelangt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt in dem zweiten Mischkneter (2) einer Pfropfenströmung unterworfen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt in dem zweiten Mischkneter (2) einer grossen Oberflächenerneuerung sowie guter Produkttemperaturkon­ trolle unterworfen wird.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Produkt eine ein Lösungsmittel enthaltende Elastomer-Lösung behandelt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlauf (5) für das Produkt mit einem Mischkneter (1) mit guter Rückmischung und dieser mit einem Mischkneter (2) mit guter Propfenströmung in Verbindung steht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Auslauf von jedem der beiden Mischkneter (1, 2) eine Austragdoppelschnecke (4, 6) anschliesst.
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