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DE4314020A1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen viskoser Kunststoffschmelzen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen viskoser Kunststoffschmelzen

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Publication number
DE4314020A1
DE4314020A1 DE19934314020 DE4314020A DE4314020A1 DE 4314020 A1 DE4314020 A1 DE 4314020A1 DE 19934314020 DE19934314020 DE 19934314020 DE 4314020 A DE4314020 A DE 4314020A DE 4314020 A1 DE4314020 A1 DE 4314020A1
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DE
Germany
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continuous cleaning
degassing
degassing according
melt
plastic
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DE19934314020
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Rolf Dipl Ing Schnause
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Individual
Original Assignee
Individual
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen verunreinigter viskoser Kunststoffschmelzen.
Der Verordnung zur stofflichen Wiederverwertung von Verpackungsabfällen, die zu Beginn dieses Jahres in Kraft getreten ist, konnte hinsichtlich gebrauchter Kunst­ stoffverpackungen bislang mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand noch nicht ent­ sprochen werden.
Zwar konnte das Einsammeln der Verpackungsabfälle in der Bundesrepublik von dem Unternehmen "Duales System Deutschland" termingerecht flächendeckend organisiert werden, jedoch sind die eingesammelten Verpackungen in einem Zustand, der ihre Wiederaufarbeitung für einen erneuten Produkteinsatz ohne vorhergehende Reinigung unmöglich macht. Für eine unmittelbare Aufarbeitung der Kunststoffabfälle sind die eingesammelten Abfälle zu stark verschmutzt.
Zwar bemühen sich Sortieranstalten, aus den gesammelten Abfällen von Hand geeignet erscheinende Kunststoffabfälle auszusortieren. Doch auch diese sortierten Abfälle müssen zunächst noch von den anhaftenden organischen und anorganischen Bestand­ teilen gereinigt werden.
Dieser Reinigungsprozeß wird zur Zeit in 2 Schritten durchgeführt.
Die Kunststoffabfälle werden zunächst zerkleinert und danach gewaschen. Evntl. werden dabei die verschiedenen Kunststoffsorten getrennt. Zum Schluß werden dann die nassen Kunststoffe getrocknet.
Diese gewaschenen Kunststoffschnitzel lassen sich in einem Extruder plastifi­ zieren, müssen jedoch vor der Verarbeitung zu neuen Produkten mittels Filter weiter gereinigt werden. Dafür sind meist Einrichtungen gebräuchlich, wie sie auch bei der Verarbeitung von Neuware eingesetzt werden. Auch fabrikfrisches Thermoplastgranulat enthält hin- und wieder ein Fremdstoffteilchen. Ein solches Teilchen führt bei der Verarbeitung zu Störungen bzw. ergeben Ausschußteile.
Zum Abfangen solcher Fremdstoffe sind etliche Konstruktionen bekanntgeworden. Im Schmelzestrom befindet sich ein Sieb, in dem die Teile hängen bleiben. All­ mählich setzt sich das Sieb zu. Dann wird es entweder ausgewechselt oder durch Strömungsumkehr gereinigt. Auch kontinuierlich durchlaufende Siebe sind bekanntge­ worden.
Solche für Neuware vorgesehenen Konstruktionen werden auch für die Reinigung von Schmelzen aus Kunststoffabfällen eingesetzt. Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß der Verschmutzungsgrad in diesem Fall zu hoch ist. Die Filter verstopfen zu rasch. Es ist auch bereits versucht worden, die Siebe durch ein Lamellenpaket zu er­ setzen, an dessen Einlaufseite sich die Verunreinigungen absetzen um dann von dort mechanisch entfernt zu werden. Auch diese Lamellenfilter sind für den Dauer­ betrieb ungeeignet. Insbesondere die silikatischen Verunreinigungen sind für die Lamellen und die Abstreifer zu hart. Durch Abrieb zerstören sie Lamellen und Abstreifer.
Von den derart gereinigten Kunststoffabfällen sind etliche Abfälle damit für ei­ ne Wiederverarbeitung immer noch nicht in diesem Zustand geeignet. Viele Kunst­ stoffe sind bedruckt oder eingefärbt. Durch diese Operationen enthalten die Kunst­ stoffe niedrig siedende Substanzen, die sich bei einer Verarbeitung in Form von Gasbläschen störend bemerkbar machen.
Somit müssen Kunststoffabfälle vor der Wiederverarbeitung neben der Entfernung von Verunreinigungen auch entgast werden. Hierzu sind spezielle Anlagen bekannt­ geworden, die von der Thermoplast erzeugenden Industrie verwendet werden. Im Schmelzezustand der Thermoplaste wird durch Evakuieren ein Druckgefälle erzeugt. Dies bewirkt, daß die Niedrigsieder in der Schmelze Gasblasen bilden, die in Richtung Unterdruck wandern und an der Schmelzeoberfläche aufplatzen.
Nach dem Stand der Technik erfordert das Entfernen der niedrig siedenden Sub­ stanzen aus dem Kunststoff einen gesonderten Verfahrensschritt.
Mit den bisher bekanntgewordenen Filtereinrichtungen ist ein Entgasen der Kunst­ stoffschmelze nicht möglich.
Aus diesem Grund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, nach dem thermo­ plastische Kunststoffschmelzen von Verunreinigungen befreit werden können ohne auf im Dauerbetrieb störanfällige Filter und Lamellen angewiesen zu sein, wobei die Reinigung der Schmelze mit einer Entgasung der Schmelze kombiniert wird.
Gelöst wird die Aufgabe, indem das Entgasen durch kontinuierliches gleichmäßiges Verteilen der viskosen Kunststoffschmelze auf die kegelförmige Oberfläche einer Mantelzentrifuge zu einem Film bei Unterdruck erfolgt, und danach die entgaste viskose Kunststoffschmelze in eine ringförmige Tasche am unteren Ende der kegel­ förmigen Mantelzentrifuge fließt, die über Öffnungsschlitz und Überlaufkante verfügt, zur zentrifugalen Abtrennung der Verunreinigungen von der viskosen Kunststoffschmelze.
Versuche haben gezeigt, daß auch bei viskosen Substanzen eine Trennung von Stoffen mit unterschiedlichen Wichten unter dem Einfluß zentrifugaler Kräfte unter üblichen technischen Bedingungen möglich ist.
Die Ergebnisse dieser Versuche führten dann zu dem erfindungsgemäßen Verfahren nebst der dazu passenden Vorrichtung.
Die eingesammelten und aussortierten Kunststoffverpackungen bestehen zum über­ wiegenden Teil aus polyolefinischen Thermoplasten, insbesondere aus Polyethylen (PE). Daneben finden sich auch Verpackungen aus Polystyrol (PS) und PVC. Diese Thermoplaste PS und PVC stören bei der Wiederverwendung des Hauptbestandteils PE erheblich. In der Schmelze lassen sich diese Kunststoffsorten aufgrund ihrer unterschiedlichen Oberflächenspannungen nicht miteinander vermischen. Die eine Sorte bildet Blasen in der Matrix der anderen Sorte.
Da die Schmelzen der störenden Thermoplaste PS und PVC gegenüber PE eine höhere Wichte haben, können sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vom PE abgetrennt werden.
Das Volumen der abzutrennenden Menge aus der viskosen Schmelze läßt sich ein­ stellen. In der Praxis wird die Größe der abzutrennenden Menge auf "Überschuß" eingestellt werden. Das bedeutet, daß auch etwas PE mit aus dem Schlitz austritt. Da es sich jedoch um Kunststoffabfälle handelt, dürfte dies für die Anwendbar­ keit des Verfahrens ohne Belang sein, wenn dafür das überwiegende Volumen der Kunststoffschmelze von den die Wiederverwendung störenden Beimengungungen be­ freit ist.
Der verunreinigte Kunststoffabfall wird zunächst wie üblich in einem Extruder plastifiziert. Der Extruder fördert die Schmelze unter Druck in die Spitze des sich mit überkritischer Drehzahl stabilisierenden Kegelmantels der Zentrifuge durch ein Zuführrohr. Den Abschluß des Förderrohres bildet ein höhenverstellbarer Kegel. Damit wird zwischen dem Kegelmantel und dem Kegel ein in der Dicke ein­ stellbarer Spalt gebildet, in den die vom Extruder kommende Schmelze fließt.
Wenn die Schmelze aus dem Spalt austritt, preßt sie sich infolge der auf die Schmelze wirkenden Zentrifugalkraft an den Kegelmantel. Im Spalt zwischen ro­ tierendem Kegelmantel und feststehendem Kegel wird die Schmelze einer hohen Scherspannung unterworfen. Das hat eine wünschenswerte Verringerung der Schmelze­ viscosität zur Folge.
Durch den sich nach unten erweiternden Kegelmantel wandert die Schmelze nach dem Verlassen des Spaltes abwärts unter Abnahme der Schmelzefilmdicke.
Außerhalb des rotierenden Kegelmantels befinden sich Heizkörper, die ein Tem­ perieren der Kunststoffschmelze ermöglichen, bzw. ein Abkühlen der Kunststoff­ schmelze verhindern. Vorteilhafterweise herrscht im Innern des Kegelmantels gegen über Außen ein Unterdruck. Der Unterdruck erhöht die Wanderungsgeschwindigkeit der aus der Schmelze austretenden Gasblasen zur freien Oberfläche.
Beim weiteren Abwärtswandern fließt der Schmelzefilm in eine ringförmige Tasche, deren Querschnittsprofil einem liegenden "V" mit nach außen abgestumpfter Spitze entspricht. Die abgestumpfte Spitze ist offen und bildet einen Ringspalt, durch den die von der Schmelze abzusondernden Verunreinigungen infolge der Zentrifugal­ kraft austreten. Der Spalt läßt sich durch einen verstellbaren Ring mehr oder minder in der Höhe abdecken.
Im Abstand von dem verstellbaren Ring und im Abstand von der ringförmigen Tasche befinden sich Wärmetauscher. Diese Wärmetauscher dienen zum Temperieren der Schmelze im Taschenbereich. Mit Hilfe dieser Wärmetauscher kann die Viscosität des Gemischs aus Verunreinigungen und Restschmelze beeinflußt werden.
Die beiden Flanken der "V"-förmigen Ringtasche werden durch Stege miteinander verbunden. Dabei können die Stege die beiden Flanken der Ringtasche in radialer Richtung miteinander verbinden oder kreiselpumpenförmig mit in Drehrichtung vor- oder zurückeilenden Stegen zur Beeinflussung der Austrittsgeschwindigkeit der Verunreinigungen.
Die untere Flanke der Ringtasche hat eine Überlaufkante über die die gereinigte und entgaste Schmelze abfließt. Sie fließt von der Überlaufkante in einen Sammel­ trichter, von dort in ein Sammelrohr, das zu einer Zahnradpumpe führt um dann letztendlich nach der Druckerhöhung durch die Zahnradpumpe dosiert und pul­ sationsfrei einer Verarbeitungsanlage zugeführt zu werden. Dies kann beispiels­ weise eine Blasfolienanlage sein.
Um die niedrig siedenden Bestandteile aus der Kunststoffschmelze beschleunigt zu entfernen, ist es vorteilhaft, die aus der Schmelze ausdampfenden Gase aus dem Innenraum des Kegelmantels abzusaugen, gegebenenfalls unter Bildung eines Unterdrucks. Für die Absaugung ist eine Absaugleitung vorgesehen, die zu einer Vakuumpumpe führt. Die Absaugleitung kann durch den Sammelbehälter führen. Zur Verringerung der Saugleistung kann eine Abdichtung zwischen dem rotierenden Kegelmantel und dem ruhenden Sammelbehälter vorgesehen werden. Um die Reibungs­ verluste zu minimieren kann die Abdichtung in Form einer Labyrinthdichtung oder einer "Flüssigdichtung" mit einer schwersiedenden Substanz hoher Wichte ausge­ führt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren gemäß der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Trennung dreier unterschiedlicher Fraktionen er­ gänzt.
Dazu erhält der untere Schenkel der Ringtasche einen Spalt. Aus diesem Spalt fließt die gereinigte Kunststoffschmelze. Über die Überlaufkante fließt dann die Leichtfraktion, die wegen deren geringerer Wichte auf der Kunststoff­ schmelze schwimmt.
Eine beispielhafte Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Anlage unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen die Fig. 1-4. Es stellen dar:
Fig. 1 den Mittelschnitt einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen viskoser Kunststoffschmelzen.
Fig. 2 den vergrößerten Ausschnitt "A" von Fig. 1.
Fig. 3 eine Anlage von der Plastifizierung des verunreinigten Kunststoff­ abfalls in einem Extruder bis zu einer pulsationsfreien Förderung der gereinigten Schmelze zu einer Verarbeitungsanlage.
Fig. 4 entspricht dem Ausschnitt von Fig. 3, jedoch mit der Abänderung zur Trennung dreier unterschiedlicher Fraktionen.
In Fig. 1 stellt mit (1) der rotierende Kegelmantel dar, an dessen unteren Ende sich die Ringtasche (2) befindet, die die Form eines liegenden "V" mit dem ab­ gestumpften offenen Ende (3) und den beiden Flanken (4a) und (4b) hat. Die Breite des offenen Endes (3) kann durch den verstellbaren Ring (5) eingestellt werden. Die Flanken (4a) und (4b) der ringförmigen Tasche (2) werden durch die über den Umfang verteilten Stege (6) miteinander verbunden.
Der Kegelmantel und die Ringtasche werden von dem Motor (7), ggfls. unter Zwischenschaltung eines Getriebes angetrieben, vorzugsweise mit überkritischer Drehzahl. Von den Lagern (8) wird der Kegelmantel horizontal und vertikal ge­ halten.
In der Spitze des Kegelmantels befindet sich mit einstellbarem Abstand vom Kegel­ mantel der Kegel (9). Der Kegel hat mittig eine Bohrung und sitzt auf dem Materialzuführrohr (10).
Die untere Flanke (4b) der Ringtasche hat zur Kegelmantelachse hin eine Überlauf­ kante (11). Von dort wird die überfließende Schmelze von dem Sammelbehälter (12) aufgefangen und fließt von dort in das Sammelrohr (13). Durch den Sammelbehälter ragt das Absaugrohr (14) in den Kegelmantel hinein. Das Absaugrohrende wird von einer Haube (15), die mit Abstand auf dem Rohr sitzt, abgedeckt und führt zur Vakuumpumpe (29). Die aus dem Schlitz (3) herausfließenden Verunreinigungen werden von den beiden Ringhauben (16) und (17) in die Auffangrinne (18) geleitet.
Im Abstand von dem Kegelmantel (1) befinden sich Wärmestrahler (19), die etwa in Form eines elektrischen Heizstabes oder oder eines erwärmten flüssigen Me­ diums ringförmig um den Kegelmantel geführt werden.
Desgleichen befinden sich im Abstand zu der ringförmigen Tasche (2) und dem Verstellring (5) heiz- und/oder kühlbare Elemente, beispw. in Form von Rohren, durch die ein erwärmtes oder gekühltes Medium fließt (20).
An der unteren Flanke (4b) sitzt die ringförmige Nase (21), die zur Reibungs­ armen Abdichtung in einen Ringkanal (22) taucht, der mit einer bei Raumtemperatur schwer siedenden Flüssigkeit oder einem Fluido-Plasten (24) gefüllt ist.
Fig. 2 zeigt den Ausschnitt "A" aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.
Fig. 3 zeigt die Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen der Kunststoffschmelze im Rahmen einer Gesamtanlage. Dabei werden die Kunststoff­ abfälle in dem Extruder (25) plastifiziert. Das Plastifikat wird dann vom Extru­ der in die kombinierte Entgasungs- und Reinigungsvorrichtung entsprechend Fig. 1 gepreßt. Die gereinigte und entgaste Schmelze fließt vom Sammelbehälter (12) und dem Sammelrohr (13) in die Zahnradpumpe (26). Bei dieser Zahnradpumpe handelt es sich bevorzugt um Ausführungen, bei denen auch hochviskose Schmelzen aus einem unter Unterdruck stehenden System bei vollständiger Füllung der Pumpe dosiert und pulsationsfrei ausgetragen werden. Der Schmelzestrom wird von der Zahnrad­ pumpe zur Verarbeitungsmaschine gepumpt. (Durch Pfeil angedeutet.)
Fig. 4 zeigt den Ausschnitt "A" aus Fig. 1 in einer abgeänderten Ausführung. Bei dieser Ausführung ist die untere Flanke (4b) der Ringtasche (2) durch den ringförmigen Schlitz (27) durchbrochen. Durch diesen Ringschlitz fließt die gereinigte Schmelze, während über die abgewinkelte Überlaufkante (28) Material abfließt, das eine geringere Wichte hat als die Kunststoffschmelze.

Claims (24)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen viskoser Kunststoff­ schmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen in der Kunst­ stoffschmelze durch Zentrifugieren abgeschieden werden und daneben das Entgasen während des Zentrifugierens aus einem Schmelzefilm erfolgt.
2. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen im Bereich der größten Zentrifugalkräfte abgeschieden werden.
3. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Entgasen aus Schmelzefilm austretenden Niedrigsieder abgesaugt werden, vorzugsweise unter Bildung eines Unterdrucks.
4. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschmelze unter Druck zugeführt wird, dann in einem Spalt zwischen Kegelmantel und Kegel geschert und durch Zentrifugalkräfte an der Zentrifugenwand gehalten wird.
5. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffschmelzefilm in eine ringförmige Tasche fließt, in der die Verunreinigungen durch einen Ringspalt austreten.
6. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die gereinigte und entgaste Kunststoffschmelze aus der ringförmigen Tasche über eine Kante abfließt und dann gesammelt wird.
7. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigte und entgaste Kunststoffschmelze unter Druckerhöhung einer Weiterverarbeitungsanlage zugeführt wird.
8. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschmelze während des Zentrifu­ gierens temperiert wird.
9. Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Temperierung der Kunststoffschmelze im Kegel­ mantelbereich und im Ringtaschenbereich bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgt.
10. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen viskoser Kunststoff­ schmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung und Entgasung an einem Kegelmantel (1) bei vorzugsweise überkritischer Drehzahl erfolgt, an dessen Basis sich eine ringförmige Tasche (2) anschließt.
11. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Tasche im Querschnitt die Form eines liegenden abgestumpften "V" hat mit der oberen Flanke (4a), der unte­ ren Flanke (4b), der Überlaufkante (11) sowie dem Spalt (3).
12. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Spalts (3) verstellbar ist.
13. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und die untere Flanke (4a) und (4b) der Ringtasche durch Stege (6) miteinander verbunden sind.
14. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (6) in radialer Richtung verlaufen.
15. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (6) kreiselpumpenförmig vor- oder rückläufig gekrümmt sind.
16. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Rotationsachse des Kegelmantels (1) ein ruhender Kegel (9) mit mittiger Bohrung befindet, der auf dem Materialzuführrohr (10) sitzt.
17. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Kegels (9) zum Kegelmantel (1) einstellbar ist.
18. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere des Kegelmantelraums ein Absaugrohr (14) hineinragt.
19. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb des rotierenden Teils der Mantelzentrifuge ein Sammelbehälter (12) mit Sammelrohr (13) befindet zur Aufnahme der gereinigten und entgasten Kunststoffschmelze.
20. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der abgetrennten Verun­ reinigungen durch die Ringhauben (16) und (17) erfolgt, die die Verunreini­ gungen in die Auffangrinne (18) führen.
21. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung gegen einen Unterdruck im Kegelmantel die Flanke (4b) eine ringförmige Nase (21) besitzt, die in eine bei Raumtemperatur niedrig siedenden Flüssigkeit, alternativ dazu ein Fluido-Plast (24) taucht.
22. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Flanke (4b) durch einen ring­ förmigen Schlitz (27) durchbrochen ist.
23. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Flanke (4b) eine abgekantete Überlaufkante (28) hat.
24. Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen und Entgasen nach Anspruch 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der verunreinigte Kunststoff in dem Extruder (25) plastifiziert, in der Zentrifuge gereinigt und entgast wird, vorzugsweise bei Unterdruck mittels der Vakuumpumpe (29), um von der Zahn­ radpumpe (26) unter Druckerhöhung einer Verarbeitungsanlage zugeführt zu werden.
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