DE102009016730A1

DE102009016730A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer gesättigten Lösung aus einer Polyurethan-Reaktionskomponente und einem darin gelösten Treibmittel

Info

Publication number: DE102009016730A1
Application number: DE200910016730
Authority: DE
Inventors: Martin Schamberg; Jürgen Wirth
Original assignee: Hennecke GmbH
Current assignee: Hennecke GmbH
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer gesättigten Lösung aus einer Polyurethan-Reaktionskomponente, bevorzugt Polyol oder Isocyanat, mit einem darin gelösten Treibmittel in einem Arbeitsbehälter (10), aus dem diese gesättigte Lösung über mindestens eine erste Pumpe (16) in einen Mischkopf (18) dosiert, in diesem mit einer weiteren Reaktionskomponente vermischt und anschließend ausgetragen wird. Um in wirtschaftlicher Weise die mit Treibmittel gesättigte Reaktionskomponente zur Verfügung zu stellen, sieht die Erfindung vor, dass der Arbeitsbehälter (10) mit dem gasförmigen Treibmittel beaufschlagt wird und in dem Arbeitsbehälter (10) mittels dieser gasförmigen Treibmittel-Atmosphäre (12) ein Druckniveau gehalten wird, welches in einem Bereich zwischen 80% und 120%, vorzugsweise zwischen 90% und 110%, des zur gewünschten Treibmittel-Beladung zugehörigen Lösungsdruckes liegt, dass dem Arbeitsbehälter (10) zum Nachfüllen die mit dem Treibmittel beladene Reaktionskomponente in einer dosierten Menge zugeführt wird, wobei einem dosierten Reaktionskomponentenstrom vor dem Eintritt in den Arbeitsbehälter (10) gasförmiges Treibmittel zudosiert und in diesem Reaktionskomponentenstrom auf dem Weg zum Arbeitsbehälter (10) in Lösung gebracht wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen einer gesättigten Lösung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer gesättigten Lösung aus einer Polyurethan-Reaktionskomponente, bevorzugt Polyol oder Isocyanat, mit einem darin gelösten Treibmittel in einem Arbeitsbehälter, aus dem diese gesättigte Lösung über mindestens eine erste Pumpe in einen Mischkopf dosiert, in diesem mit einer weiteren Reaktionskomponente vermischt und anschließend ausgetragen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen einer gesättigten Lösung.
In der US 3 184 419 wird ein Verfahren beschrieben, in dem Kohlendioxid gekühlt und anschließend in flüssiger Form einer Reaktionskomponente zudosiert und in dieser gelöst wird. Anschließend wird diese mit Kohlendioxid beladene Reaktionskomponente in einem Mischer mit der anderen Reaktionskomponente unter Druck gemischt und dann über ein spezielles Ventil ausgetragen, wobei das Kohlendioxid durch die Druckabsenkung im Ventil aus der Lösung austritt und in den gasförmigen Zustand übergeht.
Bei dem beschriebenen Prozess handelt es sich somit um eine Inline-Dosierung des Kohlendioxids in den dosierten Reaktionskomponentenstrom, welcher anschließend direkt in den Mischer strömt, dort vermischt und ausgetragen wird.
Dieses Verfahren ist für die Herstellung von Formteilen in hochautomatisierten Prozessen mit häufig sehr kurzen Schusszeiten, für welche Hochdruckmischköpfe eingesetzt werden, nur sehr eingeschränkt produktionstauglich. Problematisch ist in diesem Fall die exakte CO₂-Dosierung in den Reaktionskomponentenstrom bei Drücken von 150 bis 200 bar während der häufig sehr kurzen Dosierzeiten, besonders wenn die zu dosierenden CO₂-Mengen weniger als 2 g/s betragen. Das Problem besteht vor allem darin, das Kohlendioxid vom ersten Tropfen an, der in die Mischkammer strömt, exakt zu dosieren.
Eine andere Lösung dieser Art ist aus der EP 0 145 250 A1 bekannt, die sich mit dem Verarbeiten von Kohlendioxid in Polyurethananwendungen befasst. Hier wird beschrieben, wie gasförmiges Kohlendioxid in einem Behälter unter Druck in Lösung gebracht und dann zu einem Mischer gefördert wird, dort mit der anderen Reaktionskomponente vermischt und anschließend ausgetragen wird. Allerdings ist die dort beschriebene Verfahrensweise, bei der das CO₂ direkt in den Behälter zugegeben wird und dort langwierig eingemischt wird, für hochautomatisierte Prozesse ungeeignet, da der Behälter während des Einmischens nicht benutzt werden kann. Es muss solange mit dem Schäumen gewartet werden, bis das Kohlendioxid vollständig eingemischt und gelöst worden ist, um den für den Schäumprozess gewünschten definierten Zustand der Mischung erzielt zu haben. Dabei ist es ungenügend, wenn zunächst 30 Minuten oder länger benötigt werden, bevor der gewünschte Zustand erreicht wird.
Eine weitere Lösung, die sich mit dem Einsatz von Kohlendioxid in Polyurethananwendungen beschäftigt, ist aus der DE 39 16 873 A1 bekannt. Auch in dieser Schrift wird beschrieben, dass das Kohlendioxid in eine der Reaktionskomponenten unter Druck eingemischt und gelöst wird. Das CO₂-Gas wird ähnlich wie bei der EP 0 145 250 A1 direkt in die Behälter gegeben, so dass der Lösungsprozess im Behälter stattfindet. Dies ist jedoch wiederum für hochautomatisierte Prozesse mit ständigem Verbrauch von Material aus dem Behälter und ständigem Nachfüllen von Material in den Behälter nicht produktionstauglich. Diese Prozesse sind auf möglichst konstante Bedingungen des Materials im Behälter angewiesen, um reproduzierbar Teile mit identischen Eigenschaften zu produzieren. Wenn jedoch unbeladenes Polyol in den Behälter nachgefüllt wird und erst im Behälter das CO₂ zugegeben und in Lösung gebracht wird, ist das Material im Behälter zumindest während des Nachfüllens nicht homogen und der gelöste CO₂-Anteil nicht definiert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftlich optimiertes Verfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung vorzuschlagen, um niedrigsiedende Treibmittel, wie beispielsweise Kohlendioxid, in hochautomatisierten Polyurethan-Fertigungsprozessen zuverlässig und reproduzierbar zu verarbeiten.
Dies gelingt, insbesondere in Verbindung mit der Hochdrucktechnik und bei kurzen Schusszeiten und kleinen Dosiermengen, am zuverlässigsten und wirtschaftlichsten durch Bereitstellen eines Batches mit einer definierten Menge an gelöstem Treibmittel. Gleichzeitig ist es wirtschaftlicher, das Treibmittel in gasförmigem Zustand zu dosieren als es in flüssigem Zustand zu dosieren.
Bei einer Flüssigdosierung wird das Treibmittel als siedende Flüssigkeit aus einem Tank oder einer Flasche entnommen. Da es jedoch nicht als siedende Flüssigkeit dosiert werden kann, muss es zunächst entweder abgekühlt (dies erfordert einen Hochdruck-Wärmetauscher und ein Rückkühlaggregat) oder mittels einer Vorpumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht werden.
Außerdem stellt das exakte Dosieren sehr niedrigviskoser Flüssigkeiten mit stark druckabhängiger Dichte ohnehin eine sehr schwierige Dosieraufgabe dar. Sowohl die Vorpumpe als auch die Dosierpumpe sind Spezialpumpen, welche relativ teuer in der Anschaffung sind. Hinzu kommt, dass das niedrigsiedende Treibmittel mittels eines Massestromzählers, welcher z. B. nach dem Coriolis-Messprinzip arbeitet, messtechnisch erfasst werden muss. Auch diese Geräte sind relativ teuer.
Bei einer Gasdosierung genügt ein sogenanntes Gasregelgerät, welches gleichzeitig als Dosier- und Messvorrichtung dient. Diese Geräte sind in der Anschaffung wesentlich günstiger als die oben genannte Ausrüstung für eine Flüssigdosierung.
Durch diese Gegenüberstellung wird deutlich, dass die Dosierung in gasförmigem Zustand der wirtschaftlichere Weg ist, da der notwendige Druck durch die Lagerung des niedrigsiedenden Treibmittels im Siedezustand ohnehin zur Verfügung steht.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Beaufschlagung des Arbeitsbehälters mit einer Gasatmosphäre, bestehend aus der Gasphase des eingesetzten niedrigsiedenden Treibmittels im richtigen Druckniveau. Wenn der Behälter statt mit dem Treibmittel z. B. mit Stickstoff oder Luft beaufschlagt wird, wird es zwangsläufig über die Grenzfläche zu einem Stoffaustausch kommen, d. h. das Fremdgas wird zum Teil ebenfalls in Lösung gehen. Gleichzeitig wird Treibmittel aus der Lösung austreten, solange der Partialdruck des Treibmittels in der Gasphase kleiner ist als der Gleichgewichtsdruck der Lösung (welcher wiederum von der Lösefähigkeit der Reaktionskomponente und vom Treibmittelanteil in der Lösung abhängig ist). Kritisch ist des Weiteren, dass das ebenfalls in Lösung gehende Fremdgas die Lösefähigkeit der Reaktionskomponente für das Treibmittel beeinflusst. Aus diesen Zusammenhängen lässt sich leicht erkennen, dass ein zuverlässiges Verfahren die Beaufschlagung des Behälters mit dem eingesetzten Treibmittel, bevorzugt Kohlendioxid, erfordert, um undefinierte Stoffaustauschvorgänge über die Flüssigkeitsoberfläche im Behälter auszuschließen.
Im Idealfall herrscht im Behälter stets der zu der gelösten Treibmittelmenge, bevorzugt CO₂-Menge, zugehörige Gleichgewichtsdruck. Dies würde jedoch bedingen, dass bei jedem Nachfüllvorgang Gas aus dem Behälter abgeblasen wird und bei jeder Materialentnahme aus dem Behälter Gas wieder in den Behälter nachströmen müsste. Es würde also permanent zusätzliches Treibmittel verbraucht, was aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten natürlich sehr unerwünscht ist.
Deshalb wird zur Lösung der genannten Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass der Arbeitsbehälter mit dem gasförmigen Treibmittel beaufschlagt wird und in dem Arbeitsbehälter mittels dieser gasförmigen Treibmittel-Atmosphäre ein Druckniveau gehalten wird, welches in einem Bereich zwischen 80% und 120% des zur gewünschten Treibmittel-Beladung zugehörigen Lösungsdruckes liegt, wobei dem Arbeitsbehälter zum Nachfüllen die mit dem Treibmittel beladene Reaktionskomponente in einer dosierten Menge zugeführt wird und wobei zu diesem Zweck einem dosierten Reaktionskomponentenstrom vor dem Eintritt in den Behälter gasförmiges Treibmittel zudosiert und in diesem Reaktionskomponentenstrom auf dem Weg zum Behälter in Lösung gebracht wird.
Dadurch, dass das Druckniveau der im Wesentlichen aus dem gasförmigen Treibmittel bestehenden Atmosphäre im Arbeitsbehälter innerhalb der tolerierten Grenzen von +/–20%, bevorzugt +/–10%, um den Gleichgewichtsdruck atmen kann, lässt sich bei geeignetem Verhältnis der Nachfüllmenge und des atmenden Gasvolumens der Prozess dauerhaft ohne Treibmittel-Verluste betreiben.
Der Begriff gesättigte Lösung bezieht sich auf den mittleren Druck im Arbeitsbehälter, um den der Druck bedingt durch die Entnahme von Material aus dem Behälter (d. h. dem Produktionsverbrauch) sowie bedingt durch die Zufuhr von Material in den Behälter (d. h. die Nachfüllmenge, die den Produktionsverbrauch wieder ausgleicht) in den beschriebenen Grenzen schwanken darf. Dabei ist die Lösefähigkeit der eingesetzten Reaktionskomponenten in aller Regel linear zum Druck, d. h. die Lösung gehorcht in den technisch relevanten Bereichen (unterhalb von 4 Gewichtsteilen) dem sogenannten Henryschen Gesetz.
Unter einer gesättigten Lösung wird im Idealfall eine Lösung verstanden, aus der auch in unendlich langer Zeit kein Netto-Stoffaustausch mit der umgebenden gasförmigen Treibmittel-Atmosphäre stattfinden würde.
Die beschriebenen Grenzen, in denen der Druck gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren atmen darf, führen zwar dazu, dass ein Stoffaustausch zwischen der Lösung und der Atmosphäre stattfindet, dieser ist jedoch unter den beschriebenen Bedingungen so langsam, dass er nur zu minimalen Treibmittel-Konzentrationsschwankungen im Behälter führt. Diese Grenzen ließen sich natürlich theoretisch weiter herabsetzen, indem das Verhältnis aus während eines Nachfüllvorgangs nachgefüllten (Nachfüllvolumen) bzw. zwischen zwei Nachfüllvorgängen verbrauchten Volumens (Produktionsverbrauch) zu dem Gesamtvolumen der gasförmigen Behälteratmosphäre und der mit der Behälteratmosphäre verbundenen Gasleitungen (d. h. Summe des Gasvolumens der Behälteratmosphäre plus Gasvolumen der verbindenden Gasleitung) möglichst klein gehalten wird. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass der Behälter innerhalb sehr enger Grenzen füllstandsgeregelt wird oder dass das Gasvolumen der Behälteratmosphäre sehr groß gewählt wird. Die Nachfüllmenge entspricht dabei immer dem Produktionsverbrauch zwischen, einem unteren und oberen Behälterfüllstand.
Allerdings würde dies entweder dazu führen, dass die Nachfüllsteuerung immer nur für sehr kurze Zeitspannen aktiviert würde oder dass sehr große Behälter eingesetzt werden müssten. Eine kurze Einschaltdauer der Nachfüllsteuerung ist ungünstig, da die Gasdosierung umso genauer dosiert, je länger sie läuft. Insbesondere der Start ist nämlich gewissen Dosierschwankungen unterworfen, welche sich umso deutlicher auf die Dosiergenauigkeit auswirken, je kürzer der einzelne Nachfüllvorgang ist. Die Installation sehr großer Behälter wiederum ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht sinnvoll.
Als besonders praktikabel hat sich herausgestellt, wenn der Quotient aus Nachfüllvolumen zu Gasvolumen maximal 0,15, bevorzugt maximal 0,10 und besonders bevorzugt maximal 0,05 beträgt. Hierbei zählen auch das Volumen des mit dem Behälter verbundenen Leitungssystems sowie das Volumen des Gasraums weiterer mit dem Arbeitsbehälter verbundener Behälter zum Gasvolumen.
Gleichzeitig sollte das Nachfüllvolumen so auf den Nachfüllmengenstrom abgestimmt sein, dass die Nachfüllzeiten mindestens 15 Sekunden, bevorzugt mindestens 30 Sekunden und besonders bevorzugt mindestens 60 Sekunden betragen.
Dieses Verfahren lässt sich in geeigneter Weise dadurch umsetzen, dass der Druck im Gasraum bzw. in der mit dem Gasraum verbundenen Gasleitung überwacht wird, und bei Überschreiten eines von der Steuerung berechneten Maximaldruckes bzw. bei Unterschreiten eines von der Steuerung berechneten Mindestdruckes jeweils ein Ventil öffnet, welches Gas aus der Behälteratmosphäre abblasen lässt bzw. welches Gas aus Druckgasversorgungsleitung in die Behälteratmosphäre nachströmen lässt. Solange der Druck jedoch in den tolerierten Grenzen bleibt, bleiben die Ventile geschlossen und der Behälterdruck atmet innerhalb dieser tolerierten Grenzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens merkt sich die Steuerung das Ereignis, dass eines der Ventile zwischen zwei Nachfüllvorgängen geöffnet wurde, und passt daraufhin entweder die beim nächsten Nachfüllen zu dosierende Treibmittelmenge an oder es passt den Sollwert für den Gleichgewichtsdruck und gleichzeitig die Grenzen für den Mindestdruck und den Maximaldruck im Behälter an.
Bei einem Überschreiten des Maximaldruckes zwischen zwei Nachfüllvorgängen kann man davon ausgehen, dass die eindosierte Treibmittelmenge bei dem eingestellten Druckniveau nicht vollständig gelöst werden kann, während man bei einem Unterschreiten des Mindestdruckes davon ausgehen kann, dass die Lösung bei dem eingestellten Druckniveau nicht gesättigt ist und deshalb zusätzlich Treibmittel aus der Behälteratmosphäre in Lösung geht. Somit deutet ein Überschreiten des Maximaldruckes auf ein zu niedriges Druckniveau bzw. auf einen zu hohen Treibmittelanteil bei diesem Druckniveau hin, während ein Unterschreiten des Mindestdruckes auf ein zu hohes Druckniveau bzw. auf einen zu niedrigen Treibmittelanteil bei diesem Druckniveau hindeutet.
Dieses Verfahren wurde insbesondere für den Einsatz von CO₂ als Treibmittel optimiert. Es ist jedoch prinzipiell mit jedem Treibmittel, welches bei den Umgebungstemperaturen gasförmig vorliegt und welches in geeigneten Mengen in einer der Reaktionskomponenten löslich ist, anwendbar.
Wenn CO₂ als Treibmittel eingesetzt wird, kann bei Drücken oberhalb von 30 bar auch bei Umgebungstemperaturen oberhalb von 20°C nicht mehr ausgeschlossen werden, dass auch flüssige Bestandteile im CO₂ enthalten sind. Diese flüssigen Bestandteile würden jedoch das Messergebnis bei den bevorzugt eingesetzten Gasregelgeräten mit thermischer Widerstandsmessung so verfälschen, dass die Regelung nicht mehr einwandfrei funktioniert. Deshalb sollte der Druck an der Impfstelle (also der Einmischstelle), an der das CO₂ in die Reaktionskomponente gegeben wird, maximal 30 bar betragen. Des Weiteren ist an dieser Impfstelle ein Mindestdruck erforderlich, um das CO₂ in Lösung zu bringen. Falls Statikmischer zum Einmischen und Dispergieren eingesetzt werden, benötigen auch diese einen bestimmten Mindestdruck, um ihre Aufgabe zu erfüllen. Dabei gehören neben dem Querverteilen und Homogenisieren besonders auch das Erzeugen von Dehnströmungen und das dadurch bewirkte Zerteilen von Gasblasen zur Aufgabe der statischen Mischelemente. Hierfür wiederum müssen die Statikmischelemente mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit durchströmt werden, was wiederum einen bestimmten Druckverlust mit sich bringt. Aus diesen Gründen sollte der Druck an der Impfstelle mindestens 3 bar und bevorzugt mindestens 10 bar betragen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Teilstrom der bereits mit dem Treibmittel beladenen Reaktionskomponente wieder an einen Punkt vor der Impfstelle zurückgeführt und in die noch unbeladene Reaktionskomponente eingemischt. Dadurch wird der Gasanteil an der Einimpfstelle reduziert. Um eine feindisperse Strömung aus Gasblasen in einem Flüssigkeitsstrom zu erzeugen, sollte der Gasanteil in der Strömung nicht mehr als 30 Volumenprozent betragen. Eine feindisperse Strömung ist aber notwendig, um den Lösungsvorgang ausreichend schnell ablaufen zu lassen. Deshalb wird das Verfahren bevorzugt so ausgeführt, dass der Gasanteil unmittelbar hinter der Impfstelle bei maximal 30 Volumen-%, bevorzugt bei maximal 25 Volumen-% und besonders bevorzugt bei maximal 20 Volumen-% liegt.
Die besonderen Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen insbesondere bei der Polyurethan-Hochdruckvermischung und ganz besonders bei Prozessen mit kurzen Schusszeiten zu Geltung. Unter Hochdruckvermischung wird dabei das Vermischen der Reaktionskomponenten in einem sogenannten Hochdruckmischkopf verstanden. Dabei werden die Reaktionskomponenten diesem Mischkopf mit hohen Drücken von mindestens 50 bar, bevorzugt mindestens 80 bar und besonders bevorzugt von mindestens 100 bar zugeführt. In dem Mischkopf wird der Druck mittels Düsen in Geschwindigkeit umgewandelt, so dass die Reaktionskomponenten mit hoher Geschwindigkeit im sogenannten Gegenstrominjektionsverfahren in eine kleine Mischkammer injiziert werden, in der sie sich aufgrund ihrer Strömungsenergie miteinander vermischen und anschließend in der Regel in ein Werkzeug ausgetragen werden. Besonders in Verbindung mit kleinen CO₂-Mengenströmen und mit kurzen Schusszeiten gestaltet sich nämlich eine Direktdosierung des CO₂ in eine der Reaktionskomponenten unmittelbar vor dem Eintritt in die Düsen als eine technisch so anspruchsvolle Aufgabe, dass diese in der Praxis bisher nicht zu beherrschen ist.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zum Herstellen einer gesättigten Lösung aus einer Polyurethan-Reaktionskomponente, bevorzugt Polyol oder Isocyanat, mit einem darin gelösten Treibmittel in einem Arbeitsbehälter, aus dem diese gesättigte Lösung eine Pumpe in einen Mischkopf dosiert, in diesem mit einer weiteren Reaktionskomponente vermischt und anschließend ausgetragen wird, enthaltend einen Arbeitsbehälter mit Mitteln zur Erfassung des Behälterfüllstands, ein Treibmittelreservoir, aus dem gasförmiges Treibmittel mit einem Druck von mindestens 10 bar entnommen werden kann, ein Behältnis, welches als Reservoir für die zu beladende Reaktionskomponente dient, ein Leitungssystem, welches das Behältnis für die zu beladene Reaktionskomponente mit dem Arbeitsbehälter verbindet, wobei dieses Leitungssystem eine weitere Pumpe zur dosierten Förderung der Reaktionskomponente aus dem Reservoir in den Arbeitsbehälter, einen Impfblock zur Injektion des Treibmittels und ein Mischaggregat zum Einmischen und Dispergieren des Treibmittels enthält, sowie ein Gasleitungssystem mit einem ersten Leitungsabschnitt, welcher das Treibmittelreservoir mit dem Impfblock verbindet, und einem zweiten Leitungsabschnitt, welcher die Behälteratmosphäre einerseits mit dem Treibmittelreservoir und andererseits mit der Umgebungsatmosphäre verbindet.
Diese Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in dem Gasleitungssystem zwischen dem Treibmittelreservoir und der Behälteratmosphäre ein ansteuerbares Ventil und ein Drucksensor vorhanden sind, dass weiterhin in dem Gasleitungssystem zwischen der Behälteratmosphäre und der Umgebungsatmosphäre ein ansteuerbares Ventil vorhanden ist, und dass Signalleitungen von dem Drucksensor zu einer Steuereinheit sowie von der Steuereinheit zu den Ventilen vorhanden sind.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen einer gesättigten Lösung aus einer Polyurethan-Reaktionskomponente mit darin gelöstem Kohlendioxid,
2 den Aufbau der Vorrichtung gemäß 1 in einer ersten alternativen Ausgestaltung,
3 den Aufbau der Vorrichtung gemäß 1 in einer zweiten alternativen Ausgestaltung und
4 den Aufbau der Vorrichtung gemäß 1 in einer dritten alternativen Ausgestaltung.
In der in 1 dargestellten Vorrichtung wird eine Polyurethan-Reaktionskomponente, zumeist Polyol oder Isocyanat, mit einem Treibmittel, im vorliegenden Falle CO₂, versetzt. Hierbei befindet sich die mit dem Treibmittel gesättigte Lösung der einen Reaktionskomponente in einem Arbeitsbehälter 10, wobei der untere Bereich 11 des Arbeitsbehälters 10 die gesättigte Lösung darstellt, während der obere Bereich 12 die im Wesentlichen aus dem gasförmigen Treibmittel CO₂ bestehende Behälteratmosphäre darstellt.
In dem Behälter 15 befindet sich eine zweite Reaktionskomponente. Beide Reaktionskomponenten werden über mindestens ein Dosieraggregat, in der Regel Pumpen 16 und 17, in einen Mischkopf 18 gefördert, dort vermischt und ausgetragen.
Am Arbeitsbehälter 10 befinden sich zwei Füllstandssensoren 13 und 14, über die der Füllstand im Arbeitsbehälter 10 erfasst werden kann.
Die erste Reaktionskomponente wird während des Nachfüllens aus einem Behältnis 21 in den Arbeitsbehälter 10 über einen Impfblock 23, bei dem es sich in der einfachsten Ausführung um ein T-Stück handeln kann, mit dem Treibmittel CO₂ beladen. In einem Mischaggregat 24, vorzugsweise ausgebildet als statisches Mischelement, wird das Treibmittel eingemischt und von hier auf den weiteren Weg in den Arbeitsbehälter 10 in Lösung gebracht.
Das Treibmittel wird in gasförmigem Zustand über ein Gasregelgerät 32 dosiert und dem Impfblock 23 zugeleitet. Gespeist wird das Gasregelgerät 32 aus einem Treibmittelreservoir 31 (z. B. Gasflasche), in dem das Treibmittel mit dem zur Umgebungstemperatur zugehörigen Dampfdruck bevorratet wird. Ebenso wird die Behälteratmosphäre 12 aus diesem Treibmittelreservoir 31 über eine Leitung 30 gespeist. In dieser Leitung 30 befindet sich auch ein Drucksensor 35 sowie ein ansteuerbares Ventil 33 (zweites Ventil). Außerdem zweigt von dieser Leitung 30 eine Leitung zur Umgebungsatmosphäre ab, über die das Gas in der Behälteratmosphäre 12 abgelassen werden kann. Auch in diesem Leitungszweig befindet sich ein ansteuerbares Ventil 34 (erstes Ventil).
Weiterhin ist eine zentrale Steuereinheit 50 vorgesehen, die mit Eingangssignalleitungen für den Minimal-Füllstand 53, den Maximal-Füllstand 54, den Druck in der Behälteratmosphäre 55, sowie mit drei Ausgangssignalleitungen für den Start einer dritten Pumpe 22 (Nachfüllpumpe, Leitung 59), für den Start der Treibmitteldosierung im Gasregelgerät 32 (Leitung 58) sowie jeweils mit Signalleitungen 56 und 57 zum Betätigen der Ventile 33 und 34 verbunden ist. Außerdem ist die Steuereinheit 50 noch mit einem Bedienpanel 51 verbunden, über welches entweder der Gleichgewichtsdruck oder die gewünschte Treibmittelmenge als Sollwert eingegeben werden können, wobei die Daten über die Signalleitung 52 der zentralen Steuereinheit 50 übermittelt werden.
Anhand einer in der Steuereinheit 50 hinterlegten Beziehung zwischen Gleichgewichtsdruck und Treibmittelanteil, welche die Lösefähigkeit der eingesetzten Reaktionskomponente wiedergibt, ermittelt die Steuereinheit 50 bei Eingabe eines Sollwertes für den Gleichgewichtsdruck den zugehörigen Treibmittelanteil bzw. bei Eingabe eines Sollwertes für den gewünschten Treibmittelanteil den zugehörigen Gleichgewichtsdruck.
Wenn der Sensor 13 für den Minimal-Füllstand an die zentrale Steuereinheit 50 das Signal „minimaler Füllstand” meldet, wird über die Signalleitung 59 das Starten der Nachfüllpumpe (dritte Pumpe) 22 und über die Signalleitung 58 das Dosieren des Treibmittels über das Gasregelgerät 32 in den Impfblock 23 veranlasst.
Über den Drucksensor 35 wird der Druck in der Behälteratmosphäre 12 überwacht. Im Idealfall ist der Prozess so ausgesteuert, dass die Ventile 33 und 34 im Regelbetrieb stets geschlossen bleiben.
Die Steuerung ist dabei so eingestellt, dass sowohl der Druckabfall, der zwischen zwei Nachfüllvorgängen durch den Verbrauch von Material verursacht wird, als auch der Druckanstieg, der durch während des Nachfüllens durch das zusätzlich in den Behälter strömende Material verursacht wird, toleriert werden. Wenn jedoch zusätzlich nennenswerte Mengen der gasförmigen Behälteratmosphäre in Lösung gehen, sinkt der Druck unter den von der Steuereinheit 50 tolerierten Wert. In diesem Fall öffnet das Ventil 33 und zusätzliches Gas strömt aus dem Treibmittelreservoir 31 in die Behälteratmosphäre 12. Dieses Ereignis merkt sich die Steuereinheit 50 bis zum nächsten Nachfüllvorgang und senkt dann selbsttätig entweder den Sollwert für den Gleichgewichtsdruck oder sie erhöht den Sollwert für die Treibmitteldosierung im Gasregelgerät 32.
Ebenso merkt sich die Steuereinheit 50, wenn der Druck über den von der Steuereinheit 50 tolerierten Wert ansteigt. In diesem Fall kann man davon ausgehen, dass nicht die gesamte über das Gasregelgerät 32 und den Impfblock 23 eindosierte Treibmittelmenge gelöst werden konnte, so dass zusätzlich Treibmittel in die Behälteratmosphäre aufgestiegen ist und dort den Druck zusätzlich erhöht hat. In diesem Fall öffnet das Ventil 34 und lässt Treibmittel aus der Behälteratmosphäre 12 ausströmen. Außerdem senkt die Steuereinheit 50 dann beim nächsten Nachfüllen selbsttätig den Sollwert für die Treibmittelmenge oder sie erhöht selbsttätig den Sollwert für den Gleichgewichtsdruck. Im Prinzip passt die Steuereinheit 50 dadurch die hinterlegte Beziehung für die Lösefähigkeit der Reaktionskomponente an.
Eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass das beschriebene Verfahren funktioniert, ist darin zu sehen, dass das zudosierte Treibmittel nahezu vollständig in Lösung gebracht werden kann. Zu diesem Zweck ist es einerseits wichtig, dass das gasförmig zudosierte Treibmittel mit Hilfe des Mischaggregats 24 fein genug eindispergiert werden kann, damit genügend Stoffaustauschfläche zwischen dem Treibmittel und der Reaktionskomponente für den Lösungsvorgang vorhanden ist. Außerdem muss genügend Druck vorhanden sein, um den Lösungsvorgang ausreichend schnell ablaufen zu lassen.
Der Arbeitsbehälter 10 wird dabei füllstandsgeregelt betrieben, wobei das Verhältnis aus Nachfüllvolumen (das ist die Volumendifferenz zwischen dem maximalen Füllstand (Füllstandssensor 14) und dem minimalen Füllstand (Füllstandssensor 13)) zum Gasvolumen (das ist die Summe des Volumens der Behälteratmosphäre 12 plus das Volumen der Leitung 30) maximal 0,15 beträgt.
Verbessern lässt sich der Lösungsvorgang durch die in 2 dargestellte Vorrichtung. Hierbei wird eine Teilmenge des mit dem Treibmittel beladenen Materials über eine zweite Pumpe 25 und ein zusätzliches zweites Mischaggregat 26 (bei dem es sich bevorzugt um ein statisches Mischelement handelt) sowie über eine zusätzliche Leitung 20a zurück vor den Impfblock 23 gefördert. Dadurch kann einerseits der Druck noch einmal erhöht werden, um die Kinetik des Lösungsvorgangs zu beschleunigen. Außerdem wird das Verhältnis des gasförmigen Treibmittels zur flüssigen Reaktionskomponente im Bereich des Impfblockes 23 reduziert. Dies erleichtert das Eindispergieren des Treibmittels erheblich.
Eine weitere Variante des vorgeschlagenen Verfahrens ist in 3 dargestellt. Hier sind die zweite Pumpe 25 und das zusätzliche zweite Mischaggregat 26 in die Kreislaufleitung 20a integriert.
4 stellt schließlich eine weitere Variante der vorgeschlagenen Vorrichtung dar. Hier wird der Druck vor dem Impfblock 23 durch ein Überströmventil 27, welches hinter der zweiten Pumpe 25 und dem zweiten Mischaggregat 26 angebracht ist, konstant gehalten. Dies ist besonders für den Einsatz von CO₂ als Treibmittel vorteilhaft, da einerseits der Druck vor dem Impfblock 23 groß genug sein muss, um das CO₂ in Lösung zu bekommen, und da der Druck vor dem Gasregelgerät 32 andererseits nicht größer als 30 bar sein darf, damit sicher ausgeschlossen werden kann, dass keine flüssigen Bestandteile im CO₂ vorhanden sind, was wiederum die Messgenauigkeit und damit auch die Dosiergenauigkeit des Gasregelgeräts 32 beeinflussen würde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3184419 [0002]
- EP 0145250 A1 [0005, 0006]
- DE 3916873 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer gesättigten Lösung aus einer Polyurethan-Reaktionskomponente, bevorzugt Polyol oder Isocyanat, mit einem darin gelösten Treibmittel in einem Arbeitsbehälter (10), aus dem diese gesättigte Lösung über mindestens eine erste Pumpe (16) in einen Mischkopf (18) dosiert, in diesem mit einer weiteren Reaktionskomponente vermischt und anschließend ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbehälter (10) mit dem gasförmigen Treibmittel beaufschlagt wird und in dem Arbeitsbehälter (10) mittels dieser gasförmigen Treibmittel-Atmosphäre (12) ein Druckniveau gehalten wird, welches in einem Bereich zwischen 80% und 120%, vorzugsweise zwischen 90% und 110%, des zur gewünschten Treibmittel-Beladung zugehörigen Lösungsdruckes liegt, dass dem Arbeitsbehälter (10) zum Nachfüllen die mit dem Treibmittel beladene Reaktionskomponente in einer dosierten Menge zugeführt wird, wobei einem dosierten Reaktionskomponentenstrom vor dem Eintritt in den Arbeitsbehälter (10) gasförmiges Treibmittel zudosiert und in diesem Reaktionskomponentenstrom auf dem Weg zum Arbeitsbehälter (10) in Lösung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbehälter (10) füllstandsgeregelt betrieben wird, wobei das Verhältnis aus Nachfüllvolumen zu Gasvolumen maximal 0,15, bevorzugt maximal 0,10 und besonders bevorzugt maximal 0,05 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum des Arbeitsbehälters (10) gegenüber der Umgebung durch ein erstes Ventil (34) abgesperrt wird, welches nur dann öffnet, wenn der Druck im Arbeitsbehälter (10) den gewünschten Gleichgewichtsdruck um eine definierte Abweichung, insbesondere um eine vorgegebene prozentuale Abweichung, übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Treibmittel-Dosiermenge gesenkt wird, wenn zwischen zwei Nachfüllvorgängen des Arbeitsbehälters (10) der Druck im Arbeitsbehälter (10) den gewünschten Gleichgewichtsdruck um eine definierte Abweichung, insbesondere um eine vorgegebene prozentuale Abweichung, übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den Gleichgewichtsdruck im Arbeitsbehälter (10) erhöht wird, wenn zwischen zwei Nachfüllvorgängen des Arbeitsbehälters (10) der Druck im Arbeitsbehälter (10) den gewünschten Gleichgewichtsdruck um eine definierte Abweichung, insbesondere um einen vorgegebene prozentuale Abweichung, übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum des Arbeitsbehälters (10) gegenüber einem Treibmittelreservoir (31) durch ein zweites Ventil (33) abgesperrt wird, welches nur dann öffnet, wenn der Druck im Arbeitsbehälter (10) den gewünschten Gleichgewichtsdruck um eine definierte Abweichung, insbesondere um eine vorgegebene prozentuale Abweichung, unter den gewünschten Gleichgewichtsdruck absinkt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Treibmittel-Dosiermenge erhöht wird, wenn zwischen zwei Nachfüllvorgängen der Druck im Arbeitsbehälter (10) um eine definierte Abweichung, insbesondere um einen vorgegebene prozentuale Abweichung, unter den gewünschten Gleichgewichtsdruck absinkt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den Gleichgewichtsdruck im Arbeitsbehälter (10) abgesenkt wird, wenn zwischen zwei Nachfüllvorgängen der Druck im Arbeitsbehälter (10) um eine definierte Abweichung, insbesondere um einen vorgegebene prozentuale Abweichung, unter den gewünschten Gleichgewichtsdruck absinkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel Kohlendioxid (CO₂) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid (CO₂) bei einem Druck von mindestens 3 bar, vorzugsweise bei einem Druck von mindestens 10 bar, und bei einem Druck von höchstens 30 bar in den Strom der Reaktionskomponente eingeimpft (23) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der mit dem Treibmittel beladenen Reaktionskomponente oder eines Teilstroms des mit dem Treibmittel beladenen Reaktionskomponente hinter einem ersten Mischaggregat (24) mittels einer zweiten Pumpe (25) angehoben wird, insbesondere auf einen Druck von mindestens 25 bar.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Treibmittel beladene Reaktionskomponente bzw. ein Teilstrom der mit dem Treibmittel beladenen Reaktionskomponente über ein zweites Mischaggregat (26) gefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die noch unbeladene Reaktionskomponente mit einem Teilstrom der bereits mit Treibmittel beladenen Reaktionskomponente vermischt wird, bevor sie die Impfstelle (23) passiert, an der das Treibmittel zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanteil unmittelbar hinter der Impfstelle (23) bei maximal 30 Volumen-%, bevorzugt bei maximal 25 Volumen-% und besonders bevorzugt bei maximal 20 Volumen-% liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Treibmittel gesättigte Reaktionskomponente aus dem Arbeitsbehälter (10) mittels der als Dosierpumpe ausgeführten ersten Pumpe (16) mit hohem Druck dem als Hochdruckmischkopf ausgeführten Mischkopf (18) zugeführt wird, in dem sie mittels Düsen mit hoher Geschwindigkeit in eine Mischkammer injiziert wird, dort mit der mindestens einen weiteren Reaktionskomponente vermischt und anschließend insbesondere in ein Werkzeug ausgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die während eines Schusses eingesetzte Treibmittelmenge weniger als 2 g/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schusszeit weniger als 5 Sekunden beträgt.
Vorrichtung zum Herstellen einer gesättigten Lösung aus einer Polyurethan-Reaktionskomponente, bevorzugt Polyol oder Isocyanat, mit einem darin gelösten Treibmittel in einem Arbeitsbehälter (10), aus dem diese gesättigte Lösung über mindestens eine erste Pumpe (16) in einen Mischkopf (18) dosiert, in diesem mit einer weiteren Reaktionskomponente vermischt und anschließend ausgetragen wird, enthaltend: einen Arbeitsbehälter (10) mit Mitteln (13, 14) zur Erfassung des Füllstands im Arbeitsbehälter (10), ein Treibmittelreservoir (31), aus dem unter Druck stehendes gasförmiges Treibmittel, insbesondere unter einem Druck von mindestens 10 bar stehendes Treibmittel, entnommen werden kann, ein Behältnis (21) für die mit Treibmittel zu beladende Reaktionskomponente, ein Leitungssystem (20), welches das Behältnis (21) für die zu beladene Reaktionskomponente mit dem Arbeitsbehälter (10) verbindet, wobei dieses Leitungssystem (20) eine dritte Pumpe (22) zur dosierten Förderung der Reaktionskomponente aus dem Behältnis (21) in den Arbeitsbehälter (10), einen Impfblock (23) zur Injektion des Treibmittels und ein erstes Mischaggregat (24) zum Einmischen und Dispergieren des Treibmittels enthält, sowie ein Gasleitungssystem (30) mit einem ersten Leitungsabschnitt, welcher das Treibmittelreservoir (31) mit dem Impfblock (23) verbindet, und einem zweiten Leitungsabschnitt, welcher die Behälteratmosphäre (12) einerseits mit dem Treibmittelreservoir (31) und andererseits mit der Umgebungsatmosphäre verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gasleitungssystem zwischen dem Treibmittelreservoir (31) und der Behälteratmosphäre (12) ein ansteuerbares zweites Ventil (33) und ein Drucksensor (35) vorhanden sind, dass weiterhin in dem Gasleitungssystem zwischen der Behälteratmosphäre (12) und der Umgebungsatmosphäre ein ansteuerbares erstes Ventil (34) vorhanden ist, und dass Signalleitungen (55, 56, 57) von dem Drucksensor (35) zu einer Steuereinheit (50) sowie von der Steuereinheit (50) zu den Ventilen (33, 34) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mischaggregat (24) ein statisches Mischelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Leitungssystem (20) eine zweite Pumpe (25) mit einer höheren Förderleistung als die dritte Pumpe (22) vorhanden ist, und dass hinter der zweiten Pumpe (25) eine Kreislaufleitung (20a) abzweigt, welche zwischen der dritten Pumpe (22) und dem Impfblock (23) in den Leitungsstrang (20) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Leitungssystem (20) hinter dem ersten Mischaggregat (24) eine Kreislaufleitung (20a) abzweigt, welche zwischen der dritten Pumpe (22) und dem Impfblock (23) in das Leitungssystem (20) mündet, und dass in dieser Kreislaufleitung (20a) eine zweite Pumpe (25) angeordnet ist, welche eine Teilmenge des Materials, welches aus dem Mischaggregat (24) austritt, in den Bereich zwischen dritter Pumpe (22) und Impfblock (23) zurückfördert.