-
Die Erfindung betrifft eine Förder- und Mischvorrichtung für flüssig-viskose
Gemische aus langsam miteinander reagierenden Stoffen, insbesondere den Ausgangs
stoffen zur Herstellung von Polyester-Kunststoffen, mit mindestens zwei miteinander
kämmenden, in gleicher Drehrichtung angetriebenen Schnecken.
-
Die kontinuierliche Mischung bei gleichzeitiger Förderung von reaktionsfähigen
Ausgangsstoffen von im allgemeinen höherer Viskosität stellt ein besonderes Problem
der Verfahrenstechnik dar. In vielen Fällen handelt es sich um leicht zersetzbare
oder thermisch unbeständige Ausgangsstoffe, bei denen das Ausmaß der ablaufenden
Reaktionen unter den herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen zeitabhängig
ist. Für ihre kontinuierliche Behandlung (zur Erzielung eines genau definierten
Reaktionszustands nach Beendigung des Förder- und Mischvorgangs) werden in der Praxis
Schneckenvorrichtungen bevorzugt, die auch bereits in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt sind.
-
Generell müssen solche Schneckenvorrichtungen, wenn sie verfahrenstechnisch
und wirtschaftlich optimal arbeiten sollen, eine Reihe besonderer Forderungen erfüllen,
und zwar insbesondere dann, wenn das zu mischende und zu fördernde Produkt beispielsweise
aus reaktionsfähigen Ausgangsstoffen für Polyester-Kunststoffe besteht. Diese Ausgangsstoffe
reagieren bekanntlich während des Förderns und Mischens in Form einer Polykondensation
miteinander derart, daß sich fortschreitend länger werdende Moleküle ergeben, die
schließlich am Auslaufende der Vorrichtung eine genau definierte mittlere Länge
besitzen.
-
Erstens muß daher dafür Sorge getragen werden, daß sich an den Flanken
der Schnecken keine Rückstände ablagern können, da sich sonst bei vorgegebener mittlerer
Verweilzeit kein enges Verweilzeitspektrum aufrechterhalten läßt. Die Neigung zum
Anhaften an den Schneckenflanken nimmt mit steigender Viskosität (also auch mit
steigendem Polykondensationsgrad) der gemischten Stoffe zu, wobei in dem Fall, daß
die Stoffe miteinander reagieren, noch hinzukommt, daß der Reaktionsablauf in den
an den Flanken anhaftenden Rückständen im Gegensatz zu der Hauptmasse der gemischten
Stoffe völlig unkontrolliert ist und sogar zu einem Verkracken einer immer größer
werdenden Stoffmenge führen kann. Es istkeineFrage, daß dadurch dieQualität desMischungsprodukts
entscheidend verschlechtert wird.
-
Zweitens ist es erforderlich, den Mischvorgang in einer ausgesprochen
stoffschonenden Weise durchzuführen und insbesondere mechanische Quetsch- und Knetvorgänge
zu vermeiden, weil sich sonst wegen der dabei auftretenden hohen Scherkräfte Brüche
in den Molekülketten ergeben können. Diese Kettenbrüche haben ihrerseits zur Folge,
daß die gewünschte Länge der Molekülketten nicht mehr in dem ausreichenden Umfang
gewährleistet ist, wodurch sich in einer Reihe von Fällen (so z. B., wenn das Produkt
zu Kunstfasern weiterverarbeitet werden soll) wiederum eine höchst nachteilige Beeinträchtigung
der Produkteigenschaften ergibt.
-
Drittens muß natürlich auch eine ausreichende Intensität des Mischvorgangs
gewährleistet sein. Diese dritte Forderung versteht sich an sich von selbst. Sie
ist hier aber noch besonders zu erwähnen, weil ihre Berücksichtigung zu einem gewissen
Gegensatz zu der Forderung der optimalen Stoffschonung führt.
-
Viertens schließlich ist das erreichbare Füllvolumen der Misch- und
Fördervorrichtung von beachtlicher wirtschaftlicher Bedeutung. Dies ergibt sich
verstärkt aus der Tatsache, daß Schneckenvorrichtungen der hier betrachteten Art
mit einem, dem derzeitigen Stand der Technik entsprechenden Füllvolumen in erheblichen
Abmessungen gebaut werden müssen, z. B. mit einem Durchmesser von 60 cm und einer
Länge von etwa 3 m.
-
Die erste bis dritte dieser Forderungen wird in befriedigendem Maße
von einer aus der deutschen Patentschrift 862668 bekanntgewordenen Schneckenvorrichtung
erfüllt. Bei dieser Vorrichtung sind die miteinander kämmenden Schnecken eingängig
ausgebildet und es liegen ihre Querschnittsschwerpunkte im Abstand von der Schneckendrehachse,
wobei die Flanken der Schnecken im Querschnitt die Form eines Kreisbogens aufweisen,
dessen Radius gleich dem Achsmittenabstand der Schnecken ist. Die Nut einer Schnecke
ist dabei durch die eingreifende Gegenschnecke an den Flankenberührungsstellen vollständig
bzw. nahezu vollständig längs einer Raumkurve abgedichtet.
-
Im Betrieb dieser Schneckenvorrichtung können sich an den Flanken
keine Rückstände ablagern, da die gewählte Flankenform ein ständiges gegenseitiges
Abkratzen der Schneckenflanken gewährleistet, indem eine Außenkante der einen Schneckenfianke
stetig an einer Flankenfläche der Gegenschnecke entlanggleitet und dann im kontinuierlichen
Übergang eine Außenkante der Gegenschnecke entsprechend mit einer Flankenfläche
der ersten Schnecke zum Eingriff kommt. Diese Art des abwechselnden Schneckeneingriffs,
die man auch als »Kante zu Fläche«-Eingriff bezeichnen kann, stellt zugleich sicher,
daß die hohen Scherkräfte an der Eingriffsstelle vermieden werden, mithin also z.
B. bei der Polyester-Verarbeitung keine Molekülkettenbrüche auftreten können. Weiterhin
ergibt sich eine ausreichende Intensität des Mischvorgangs, da die Querschnittsschwerpunkte
der Schneckenprofile im Abstand von der Drehachse liegen. Diese »Exzentrizität«
bewirkt neben der Bewegung in axialer Richtung auch eine sehr starke Relativbewegung
in radialer bzw. Umfangsrichtung, die zu einer intensiven, aber zugleich auch äußerst
stoffschonenden Durchmischung des Gutes führt.
-
Obwohl somit diese drei Forderungen weitgehend von der bisher bekanntgewordenen
Schneckenvorrichtung erfüllt werden, kann der derzeitige Stand der Technik nicht
als voll befriedigend angesehen werden, da das erreichbare Füllvolumen dieser Schnekkenvorrichtung
wirtschaftlich unrentabel ist. Dieser Nachteil muß logischerweise allen Schneckenvorrichtungen
anhaften, bei denen sich die Profilflanken der einzelnen Schneckengänge zweier benachbarter
Schnecken längs einer Raumkurve ständig berühren.
-
Um nämlich eine ständige Flankenberührung aufrechtzuerhalten, ist
eine im Verhältnis zum Förderquerschnitt relativ große Schneckenprofilquerschnittsform
notwendig. Das führt aber immer zu einem unrentablen Füllvolumen.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Förder-und Mischvorrichtung
zu schaffen, die neben den Forderungen der Flankenreinigung, der Vermeidung von
Quetsch- und Scherkräften und der ausreichenden Intensität des Mischungsvorgangs
zusätzlich die Forderung nach einem wirtschaftlichen Füllvolumen erfüllt.
-
Ausgehend von einer Förder- und Mischvorrichtung der eingangs erwähnten
bekannten Art mit eingängig ausgebildeten Schnecken, deren Querschnittsschwerpunkte
im Abstand von der Schneckendrehachse liegen, wobei die Flanken der Schnecken im
Querschnitt die Form eines Kreisbogens aufweisen, dessen Radius gleich dem Achsmittenabstand
der Schnecken ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen
einem der einander zugewandten Flankenpaare der ineinandergreifenden Schnecken Kontakt
besteht, während zwischen dem verbleibenden Flankenpaar ein Spielraum vorgesehen
ist, und beide Schnecken relativ zueinander derart verstellbar sind, daß die Flankenkontaktpaare
wechseln.
-
Der Vorschlag der Erfindung verläßt das bisher bei selbstreinigenden
Schnecken verwendete Prinzip, daß jede Schnecke längs einer Raumkurve gegen ihre
Gegenschnecke abgedichtet ist. Dadurch wird es möglich, die Schneckenprofilquerschnittsfläche
gegenüber den bisherigen selbstreinigenden Schnecken wesentlich zu verringern. Dies
führt zu einem erheblich vergrößerten Füllvolumen und damit zu einem entscheidenden
wirtschaftlichen Vorteil.
-
Trotz des Spielraums zwischen einem der Flankenpaare ist ein Abkratzen
aller Profilflanken der Schnekken gewährleistet, wenn beide Schnecken relativ zueinander
derart verstellbar sind, daß dieser Spielraum abwechselnd zwischen dem einen oder
dem anderen Flankenpaar der ineinandergreifenden Schnecken liegt. Zweckmäßigerweise
wird die Relativbewegung der Schnecken zueinander durch ein periodisches Anhalten
einer der Schnecken oder durch Axialverschiebung der Schnecken vorgenommen.
-
Um ein optimales Füllvolumen der Schneckenvorrichtung zu erreichen,
ist die Querschnittsform der Schneckenprofile so zu wählen, daß die Schneckenprofilquerschnittsfiäche
einen minimalen Wert annimmt. Das ist der Fall, wenn die am Umfang gelegene Außenfläche
des Schneckenprofils die Form eines Grats annimmt. In der Praxis ist es aber in
der Regel ausreichend, dieser Außenfläche eine geringe endliche Breite zu geben,
was zwar das Füllvolumen etwas vermindert, sich aber günstig auf die Festigkeit
der Schnecken auswirkt.
-
Mithin ermöglicht die Erfindung ein vorteilhaft großes Füllvolumen
und trotzdem gleichzeitig eine ständige Reinigung aller Profilflanken; weiterhin
ist durch den »Kante zu Fläche«-Eingriff, der bei der Erfindung in der gleichen
Weise gewährleistet ist wie bei der bekannten Schneckenvorrichtung, ein stoffschonender
Mischvorgang sichergestellt. Schließlich ist aber auch eine ausreichende Intensität
des Mischvorgangs gegeben, die wegen der möglichen Relativbewegung der Schneckenflanken
sogar noch besser ist als bei der bekannten Schneckenvorrichtung. Im Ergebnis erfüllt
somit die Erfindung in optimalem Umfang sämtliche der eingangs diskutierten Anforderungen
an eine Schneckenvorrichtung dieses Typs.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen F i g. 1 bis 4 einen Querschnitt durch zwei
ineinandergreifende Schnecken senkrecht zur Rotationsachse, und zwar in vier verschiedenen
Relativpositionen zur Erläuterung des Bewegungsablaufs während einer vollen Umdrehung.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind aus
Gründen der Übersichtlichkeit
nur zwei Schnecken der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gezeigt. Es ist aber auch
möglich, mehrere Schnecken in einer Ebene nebeneinander oder in mehreren Ebenen
untereinander anzuordnen. Weiterhin sind die bei einer Misch-bzw. Fördereinrichtung
üblichen Bauelemente, wie z. B. das Gehäuse sowie die Antriebsvorrichtung, ebenfalls
nicht dargestellt.
-
Wie F i g. 1 zeigt, ist jede der beiden gleichsinnig und eingängig
ausgebildeten Schnecken 5 und 6 im Querschnitt gesehen durch vier Kreisbogen begrenzt,
und zwar einmal durch den Kreisbogen der am Umfang gelegenen Außenfläche 7 bzw.
8 der Schnecke, dessen Radius r dem Radius des gesamtenSchneckenkörpers entspricht,
weiterhin durch die beiden Kreisbogen der Schneckenflanken 9 und 10 bzw. 11 und
12, deren Radien dem Abstand zwischen den Rotationsachsen der Schnecken entsprechen.
Ein weiterer innenliegender Kreisbogen wird durch den Schneckenkern 13 bzw. 14 gebildet,
d. h. der Radius dieses vierten Kreisbogens entspricht dem Kernradius der Schnecken.
-
Die Schnecken können jedoch auch so ausgebildet sein, daß bei einer
oder bei beiden Schnecken der Kernradius den Wert Null angenommen hat, d. h. daß
eine oder beide der Schnecken kernlos sind.
-
Weiterhin können die beiden Schnecken auch unterschiedliche Kernradien
und damit unterschiedliche Schneckenradien besitzen. Alternativ oder zusätzlich
können auch bei einer oder beiden Schnecken die Außenflächen 7 bzw. 8 die Breite
Null, d. h. die Form eines Grats annehmen.
-
Die Schnecken 5 und 6 sind so geformt, daß zwischen einem der einander
zugewandten Flankenpaare der ineinandergreifenden Schnecken senkrecht zur Zeichnungsebene
ein Spielraum verbleibt. Für die gesamte Vorrichtung hat das Vorhandensein eines
derartigen Spielraums den Vorteil, daß zusätzlich Nutzraum für die Förderung und
Mischung der miteinander reagierenden Stoffe gewonnen worden ist.
-
Bei einer Rotationsbewegung der beiden Schnecken 5 und 6 in der in
F i g. 1 bis 4 durch Pfeile angedeuteten Richtung gleitet jeweils eine Profilkante
auf der ihr zugewandten Profilkante der Gegenschnecke entlang (Kante zu Fläche-Eingriff)
und reinigt dadurch diesen Teil der Schnecke.
-
Die in F i g. 1 dargestellte Position zeigt die in Drehrichtung vordere
äußere Profilkante der Schnecke 5 am Beginn des Abkratzens der Schneckenflanke 11
der sich synchron zur Schnecke 5 bewegenden Schnecke 6. Ist die Schnecke 6 bis in
die in F i g. 1 gestrichelt angedeutete Position weitergedreht, so befindet sich
die in Drehrichtung vordere äußere Profilkante der Schnecke 5 am Ende ihres Reinigungskontakts
mit der Flanke 11 (gestrichelt angedeutet).
-
Während nunmehr die Schnecke 6 eine verhältnismäßig große Drehung
bis in die in F i g. 2 ausgezeichnete Position vollführen muß, hat die Schnecke
5 nur eine geringe Drehung bis in ihre in F i g. 2 dargestellte Position durchzuführen,
d. h. die Bewegung der Schnecken wird nunmehr asynchron. Eine derartige asynchrone
Drehbewegung der Schnecken 5 und 6 läßt sich z. B. erreichen, indem man eine der
Schnekken relativ zur anderen axial verschiebt oder aber die Schnecke 5 bei Weiterdrehung
der Schnecke 6 für einen Augenblick anhält.
-
In F i g. 2 zeigt die ausgezeichnete Position wiederum
den
Beginn und die gestrichelt angedeutete Position das Ende des Abkratzvorgangs, bei
dem nunmehr die in Drehrichtung hintere äußere Profilkante der Schnecke 5 die Flanke
12 der Schnecke 6 reinigt.
-
Die Drehbewegung beider Schnecken während dieses Abkratzvorgangs verläuft
wiederum synchron.
-
Beim Übergang von der in F i g. 2 gestrichelt angedeuteten Position
der beiden Schnecken in die in F i g. 3 ausgezeichnete Position bleibt die Drehbewegung
synchron, ebenso wie bei dem nun folgenden Abkratzvorgang, bei dem die in Drehrichtung
vordere äußere Profilkante der Schnecke 6 die Flanke 9 der Schecke 5 reinigt. Das
Ende dieses Abkratzvorgangs ist wiederum gestrichelt in der Fig. 3 angedeutet.
-
In F i g. 4 ist voll ausgezeichnet der Beginn des Abkratzens der
Flanke 10 der Schnecke 5 durch die in Drehrichtung hintere äußere Profükante der
Schnecke 6. Diese Position kann, ausgehend von der in Fig. 3 gestrichelt angedeuteten
Position, ebenfalls nur dann erreicht werden, wenn die Schnecken 5 und 6 eine asynchrone
Drehbewegung derart ausführen, daß entweder die Schnecken relativ zueinander axial
verschoben oder aber diesmal die Schnecke 6 bei Weiterdrehung der Schnecke 5 für
einen Augenblick angehalten wird.
-
Das Ende des Abkratzens der Flanke 10 ist in F i g. 4 gestrichelt
angedeutet. Beim Übergang von dieser Position in die in F i g. 1 voll ausgezeichnete
Ausgangsposition führen beide Schnecken wieder eine synchrone Drehbewegung aus.
-
Somit ist also trotz des Spielraum zwischen jeweils einem der einander
zugewandten Flankenpaare der ineinandergreifenden Schnecken eine Reinigung aller
Schneckenflanken während einer vollen Umdrehung gegeben, dabei wird ebenfalls bei
einer Schnecke mit Schneckenkern die am Umfang gelegene Außenfläche der Schneckenprofile
gereinigt, indem jede Außenfläche der einen Schnecke während einer Umdrehung
einmal
an dem Kern 13 bzw. 14 der anderen Schnecke entlanggleitet.
-
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Querschnittsform ist von der
Steigung der Schnecken unabhängig.