WO2000006655A1 - Verfahren und vorrichtung zum extrudieren - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for extruding.
  • thermoplastics and raw materials for thermosets in
  • Extrusion is a common processing and manufacturing process.
  • the substances or mixtures of substances to be processed are plasticized by an elevated temperature or by mechanical stress. Homogenization can also be achieved with mixtures of substances.
  • the mechanical and thermal stress on the substances can lead to undesired reactions. These cause product damage right through to plant downtime.
  • the extrusion processes are often very energy-intensive, since high drive power is required due to high viscosity and large amounts of heat are required due to high melting temperatures.
  • the binder and hardener components may react undesirably during extrusion. Often these product damages are not immediately recognizable and only cause considerable problems and additional costs when they are used later.
  • the extruded material usually requires further treatment steps.
  • the resulting melts are then often cooled and broken into chips. These are then ground and separated into the desired grain sizes by sieving or screening.
  • From WO 95/21688 it is known that the melting temperature of certain substances can be reduced by using highly compressed gases.
  • the substances to be treated are placed in a pressure vessel and pressurized with a gas under high pressure.
  • the resulting supercritical melt is then expanded, for example via a valve.
  • the melt is atomized and cooled.
  • a similar process is described in WO 94/09913 for the production of powder coatings. It is disadvantageous that this process is a batch process and that relatively high pressures (if carbon dioxide is used well above 200 bar) are necessary.
  • a large amount of gas must be able to dissolve in the product so that very low viscosities are achieved.
  • the amount of gas must be so large that the product is sufficiently atomized and cooled during the subsequent expansion.
  • the object of the invention is to provide a product-friendly extrusion process and at the same time to achieve a cooling and comminuting effect.
  • the object is achieved according to the invention by a method in which compressed gas is fed into the extruder during the extrusion process.
  • the reduced temperature level in the extruder leads to product protection. It is therefore also possible to extrude highly sensitive substances or mixtures of substances for which a conventional extrusion process is not suitable.
  • the lower viscosity of the substances also reduces the drive power required for the extruder and thus leads to energy savings.
  • the gas released causes atomization / comminution of the melt, or the expansion of the gas causes cooling / crystallization of the melt.
  • the product can only be foamed here.
  • a further gas supply for example with the help of a snow tube or a two-fluid nozzle, can be used to add to the missing amount of cold or to improve atomization.
  • the process according to the invention is a continuous processing process.
  • the expensive pressure vessels used in the mentioned patent applications WO 95/21688 and WO 94/09913 are not necessary here.
  • continuous processing can be better controlled, which offers advantages for product quality.
  • the compressed gas has a pressure of 50 to 500 bar, preferably 80 to 300 bar. Sufficiently large amounts of gas are released by this pressure. These are necessary for the viscosity changes.
  • the compressed gas has a temperature of 290 to 500 K, preferably 310 to 400 K. This temperature range means that substances can advantageously be processed at lower temperatures than in conventional extrusion processes, which is particularly gentle on the product.
  • the compressed gas is carbon dioxide, propane, isobutane, n-butane, ethane, nitrous oxide (N 2 O) and / or ammionac; preferably the compressed gas is liquid or supercritical carbon dioxide. These gases are particularly suitable because they can be easily dissolved into the fabric to be processed. Carbon dioxide is preferred because it is inexpensive, readily available and has an inert character.
  • the extruded substance or the mixture of substances contains raw materials which can be further processed to thermosets.
  • the extruded substance or mixture of substances consists of at least two components, preferably the components hardener and reactive thermoplastics (resins).
  • the particles of the extruded substance or the mixture of substances are separated from the gaseous constituents by a cyclone and / or filter downstream of the extrusion process.
  • the compressed gas is fed into the extruder and / or into the line downstream of the extruder and optionally before a cyclone and / or filter downstream of the extruder.
  • the object is further achieved by an apparatus for extruding substances or mixtures of substances, which has an extruder to which a device is assigned in order to feed compressed gas from a source for the compressed gas into the extruder during the extrusion process.
  • the device according to the invention has the advantage that the gas can be introduced in a targeted and product-specific manner.
  • the compressed gas is advantageously metered into the extruder at various points.
  • the device for supplying the compressed gas during the extrusion process into the extruder is assigned at least one heat exchanger and one compressor, preferably a compressor or a pump.
  • the temperature and pressure of the gas are advantageously set by the heat exchanger and compressor in accordance with the necessary process conditions.
  • a compressor or a pump have the advantage that they are easy to regulate and allow a high pressure level.
  • a diaphragm pump is preferably used.
  • the source of liquid carbon dioxide is a tank or one or more bottles or a bundle of bottles.
  • the extruder is followed by at least one cyclone and / or a filter. This advantageously separates the product from the gas.
  • the method and the device according to the invention are preferably used for the production of powdery or particulate substances, particularly preferably for the production of paints and lacquers, in particular powder lacquers.
  • the figure shows schematically a device according to the invention and various ways of supplying the gas.
  • the gas stream is fed to the extruder (12) through a line (10) and via a valve (11), the feed material, for example from a storage container (13), being introduced into the extruder (12) (arrow A) .
  • the gas supply to the extruder (12) can take place in different areas in the extruder (12) itself or outside the extruder into the material that has already been extruded.
  • the gas stream can thus be fed to the extruder in various areas via one or more lines (14, 15, 16) (see arrows B, C and D). It is also conceivable, alternatively or additionally, to feed the gas stream via a line (17) into a line (18) coming from the extruder to the material which has already been extruded (arrow E).
  • the flow of extruded material coming from the extruder (12) can be adjusted via a control and shut-off device (19).
  • the material coming from line (18) is fed to a cyclone (20).
  • the solids are fed out of the cyclone (20) via a line (21) into a container (22).
  • the gaseous constituents are passed from the cyclone (20) via a line (23) into a filter (24).
  • Solid substances are separated in the filter (24) and fed to a container (26) via a line (25).
  • the gaseous components from the filter (24) are discharged via a line (27). With an appropriate design of the cyclone (20) and / or the filter (24), these gaseous components can be passed directly into the open.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Extrudieren wird während des Extrusionsprozesses in den Extruder (12) verdichtetes Gas zugeführt. Eine Vorrichtung zum Extrudieren von Stoffen oder Stoffgemischen weist einen Extruder (12) auf, dem eine Einrichtung zugeordnet ist, um verdichtetes Gas aus einer Quelle (1) für das verdichtete Gas in den Extruder (12) während des Extrusionsprozesses zuzuführen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Extrudieren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Extrudieren.
Das Extrudieren von Thermoplasten und Ausgangsstoffe für Duroplaste in
Extrudern ist ein gängiger Verarbeitungs- und Herstellungsprozeß. Hierbei werden die zu verarbeitenden Stoffe oder Stoffgemische durch eine erhöhte Temperatur oder durch mechanische Beanspruchung plastifiziert. Bei Stoffgemischen kann so auch eine Homogenisierung erzielt werden. Insbesondere bei reaktiven Produkten kann die mechanische und thermische Belastung der Stoffe zu ungewünschten Reaktionen führen. Diese bewirken Produktschädigungen bis hin zum Anlagenstillstand. Die Extrusionprozesse sind - je nach Material - oft sehr energieintensiv, da bedingt durch hohe Viskosität große Antriebsleistungen notwendig sind und bedingt durch hohe Schmelztemperaturen große Wärmemengen erforderlich sind.
Bei der Herstellung von zum Beispiel Pulverlack kann es so zum unerwünschten Reagieren der Bindemittel- und Härterkomponenten während des Extrudierens kommen. Oft sind diese Produktschädigungen nicht sofort zu erkennen und verursachen erst bei der späteren Anwendung erhebliche Probleme und Mehrkosten.
Auch der Feinkornanteil, der im weiteren Herstellungsprozeß anfällt und für eine Anwendung nicht geeignet ist, kann oft nicht ein weiteres Mal extrudiert (recycelt) werden, da ein wiederholter Materialstress verstärkt zu Produktschädigungen führen kann.
Das extrudierte Material bedarf in der Regel weiterer Behandlungsschritte. So werden die entstehenden Schmelzen oftmals anschließend abgekühlt und zu Chips gebrochen. Diese werden danach gemahlen und durch eine Siebung oder einen Sichtvorgang in die gewünschten Korngrößen getrennt. Aus der WO 95/21688 ist es bekannt, daß sich die Schmelztemperatur bestimmter Stoffe durch den Einsatz von hochkomprimierten Gasen reduzieren läßt. Die zu behandelnden Stoffe werden in einen Druckbehälter gefüllt und mit einem Gas unter hohem Druck beaufschlagt. Die enstehende überkritische Schmelze wird anschließend beispielsweise über ein Ventil entspannt. Hierbei wird die Schmelze zerstäubt und abgekühlt. Ein ähnliches Verfahren ist in der WO 94/09913 zur Herstellung von Pulverlacken beschrieben. Nachteilig ist es, daß es sich bei diesem Verfahren um Batch-Verfahren handelt und relativ hohe Drücke (beim Einsatz von Kohlendioxid deutlich über 200 bar) notwendig sind. Desweiteren muß sich eine große Menge an Gas im Produkt lösen können, damit sehr geringe Viskositäten erreicht werden. Die Gasmenge muß so groß sein, daß das Produkt beim anschließenden Entspannen ausreichend zerstäubt und abgekühlt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein produktschonendes Extrusionsverfahren bereitzustellen und gleichzeitig einen Kühl- und Zerkleineruπgseffekt zu erzielen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei dem während des Extrusionsprozesses in den Extruder verdichtetes Gas zugeführt wird.
Der intensive Kontakt des verdichteten Gases mit den extrudierten Stoffen bewirkt eine Reduktion der Stoffviskosität im Extruder. Dadurch können Extrusionsprozesse bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden, ohne daß die Schmelzen im Extruder erstarren.
Im Vergleich zum konventionellen Verfahren ohne den erfindungsgemäßen Einsatz von verdichteten Gasen führt das reduzierte Temperaturniveau im Extruder zu einer Produktschonung. Daher können auch hochempfindliche Stoffe oder Stoffgemische extrudiert werden, für die ein herkömmliches Extrusionsverfahren nicht geeignet ist. Die geringere Viskosität der Stoffe setzt gleichzeitig die erforderliche Antriebsleistung für den Extruder herab und führt so zu einer Energieeinsparung. Bei Austritt der Schmelze aus dem Extruder bewirkt das freiwerdende Gas eine Zerstäubung/Zerkleinerung der Schmelze, bzw. die Entspannung des Gases bewirkt eine Abkühlung/Kristallisation der Schmelze. Je nach Stoff und Gasgehalt kann das Produkt hier auch nur aufgeschäumt werden. Ist die am Extruder freiwerdende Gasmenge zu gering, um das Produkt ausreichend abzukühlen und/oder zu zerstäuben, so kann durch eine weitere Gaszuführung, zum Beispiel mit Hilfe eines Schneerohrs oder einer Zweistoffdüse die fehlende Kältemenge ergänzt, bzw. die Zerstäubung verbessert werden.
Ein besonderer Vorteil ist es, daß das erfindungsgemäße Verfahren einen kontinuierlichen Verarbeitungsprozeß darstellt. Die bei den genannten Patentanmeldungen WO 95/21688 und WO 94/09913 verwendeten, teuren Druckbehälter sind hier nicht notwendig. Desweiteren lassen sich kontinuierliche Verarbeitungsprozesse besser steuern, was Vorteile für die Produktqualität bietet.
Ferner ist es vorteilhaft, daß bestehende Extrusionsprozesse, zum Beispiel für die Verarbeitung von Thermoplasten, nicht völlig umgestellt werden müssen, wenn verdichtete Gase gemäß der Erfindung zum Einsatz kommen sollen.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß das verdichtete Gas einen Druck von 50 bis 500 bar, vorzugsweise 80 bis 300 bar, aufweist. Durch diesen Druck werden ausreichend große Gasmengen gelöst. Diese sind für die Viskositätsveränderungen notwendig.
Erfindungsgemäß weist das verdichtete Gas eine Temperatur von 290 bis 500 K, vorzugsweise 310 bis 400 K, auf. Dieser Temperaturbereich führt dazu, daß vorteilhaft Stoffe bei niedrigeren Temperaturen bearbeitet werden können als bei konventionellen Extrusionsprozessen, was besonders produktschonend ist . Nach der Erfindung ist das verdichtete Gas Kohlendioxid, Propan, iso-Butan, n-Butan, Ethan, Distickstoffmonoxid (N2O) und/oder Ammionak; vorzugsweise ist das verdichtete Gas flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid. Diese Gase sind besonders geeignet, da sie sich gut in den zu verarbeitenden Stoff lösen lassen. Kohlendioxid ist dabei bevorzugt, da es preisgünstig und leicht verfügbar ist und einen inerten Charakter hat.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der extrudierte Stoff oder das Stoffgemisch Grundstoffe enthält, die zu Duroplasten weiterverarbeitet werden können. Das bedeutet vorzugsweise werden hier Stoffgemische extrudiert, die zu Duroplasten weiterverarbeitet werden können.
Nach der Erfindung besteht der extrudierte Stoff oder das Stoffgemisch aus mindestens zwei Komponenten, vorzugsweise aus den Komponenten Härter und reaktionsfähige Thermoplaste (Harze).
Erfindungsgemäß werden die Partikel des extrudierten Stoffes oder des Stoffgemisches durch einen dem Extrusionsprozess nachgeschalteten Zyklon und/oder Filter von den gasförmigen Bestandteilen getrennt.
Nach der Erfindung wird das verdichtete Gas in den Extruder und/oder in die dem Extruder nachgeschaltete Leitung und gegebenenfalls vor einem dem Extruder nachgeschalteten Zyklon und/oder Filter zugeführt.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zum Extrudieren von Stoffen oder Stoffgemischen gelöst, die einen Extruder aufweist, dem eine Einrichtung zugeordnet ist, um verdichtetes Gas aus einer Quelle für das verdichtete Gas in den Extruder während des Extrusionsprozesses zuzuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß das Gas gezielt und produktspezifisch eingeleitet werden kann. Vorteilhaft wird das verdichtete Gas an verschiedenen Stellen und dosiert in den Extruder zugeführt. Nach der Erfindung sind der Einrichtung zur Zuführung des verdichteten Gases während des Extrusionsprozesses in den Extruder mindestens ein Wärmetauscher und ein Verdichter, vorzugsweise ein Kompressor oder eine Pumpe, zugeordnet. Durch den Wärmetauscher und Verdichter werden vorteilhaft die Temperatur und der Druck des Gases entsprechend den notwendigen Verfahrensbedingungen eingestellt. Ein Kompressor oder eine Pumpe weisen den Vorteil auf, daß diese leicht regelbar sind und ein hohes Druckniveau zulassen. Vorzugsweise wird eine Membran-Pumpe eingesetzt.
Erfindungsgemäß ist die Quelle für flüssiges Kohlendioxid ein Tank oder ein oder mehrere Flaschen oder ein Flaschenbündel.
Nach der Erfindung ist dem Extruder mindestens ein Zyklon und/oder ein Filter nachgeschaltet. Dadurch wird vorteilhaft das Produkt vom Gas getrennt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung wird vorzugsweise für die Herstellung pulver- oder partikelförmiger Stoffe, besonders bevorzugt für die Herstellung von Farben und Lacken, insbesondere Pulverlacken, verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren wird nun anhand einer Abbildung (Fig.) näher erläutert.
Die Fig. zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und verschiedene Möglichkeiten der Zuführung des Gases.
Bei der in Fig. dargestellten Vorrichtung wird verdichtetes Gas aus einem Gastank (1) oder einer Gasflasche (hier nicht dargestellt) über eine Leitung (2) und ein Ventil (3) einen ersten Wärmetauscher (4) zugeführt. Der dem Wärmetauscher (4) zuzuführende Gasstrom wird über eine Durchflußmeßeinrichtung (5) und Durchflußregeleinrichtung, welche in Wirkverbindung mit Ventil (3) steht, gemessen und geregelt. Der aus dem Wärmetauscher (4) kommende Gasstrom wird über eine Leitung (6) einer Pumpe (7) zugeführt und gelangt über eine daran anschließende Leitung (8) in einen zweiten Wärmetauscher (9). Nach diesem zweiten Wärmetauscher wird der Gasstrom durch eine Leitung (10) und über ein Ventil (11) dem Extruder (12) zugeführt, wobei in den Extruder (12) das Aufgabegut, z.B. aus einem Vorratsbehälter (13) eingebracht wird (Pfeil A). Die Gaszufuhr in den Extruder (12) kann in verschiedenen Bereichen im Extruder (12) selbst oder außerhalb des Extruders in das bereits extrudierte Material erfolgen. Der Gasstrom kann so über ein oder mehrere Leitungen (14, 15, 16) dem Extruder in verschiedenen Bereichen zugeführt werden (siehe Pfeile B, C und D). Ebenso ist es denkbar, alternativ oder zusätzlich den Gasstrom über eine Leitung (17) in eine aus dem Extruder kommende Leitung (18) dem bereits extrudierten Material zuzuführen (Pfeil E). Der aus dem Extruder (12) kommende Strom des extrudierten Materials kann dabei über eine Regel- und Absperreinrichtung (19) eingestellt werden. Das aus Leitung (18) kommende Material wird einem Zyklon (20) zugeführt. Die Feststoffe werden aus dem Zyklon (20) über eine Leitung (21) in einen Behälter (22) geführt. Die gasförmigen Bestandteile werden aus dem Zyklon (20) über eine Leitung (23) in einen Filter (24) geführt. In dem Filter (24) werden feste Stoffe abgeschieden und über eine Leitung (25) einem Behälter (26) zugeführt. Die gasförmigen Bestandteile aus dem Filter (24) werden über eine Leitung (27) abgeführt. Bei einer entsprechenden Auslegung des Zyklons (20) und/oder des Filters (24) können diese gasförmigen Bestandteile direkt in das Freie geleitet werden.

Claims

Patentanpriiche
1. Verfahren zum Extrudieren, bei dem während des Extrusionsprozesses in den Extruder verdichtetes Gas zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das verdichtete Gas einen Druck von 80 bis 300 bar aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das verdichtete Gas eine Temperatur von 310 bis 400 K aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das verdichtete Gas Kohlendioxid, Propan, iso-Butan, n-Butan, Ethan, Distickstoffmonoxid (N2O) und/oder Ammoniak ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das verdichtete Gas flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der extrudierte Stoff oder Stoffgemisch Grundstoffe enthält, die zu Duroplasten weiterverarbeitet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der extrudierte Stoff oder Stoffgemisch aus mindestens zwei
Komponenten besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Stoff oder Stoffgemisch aus den Komponenten Härter und reaktionsfähige Thermoplaste besteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Partikel des extrudierten Stoffes oder Stoffgemisches durch einen dem Extrusionsprozeß nachgeschalteten Zyklon und/oder Filter von den gasförmigen Bestandteilen getrennt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das verdichtete Gas in den Extruder und/oder in die dem Extruder nachgeschaltete Leitung und gegebenenfalls vor einem dem Extruder nachgeschalteten Zyklon und/oder Filter zugeführt wird.
1 1. Vorrichtung zum Extrudieren von Stoffen oder Stoffgemischen, die einen Extruder aufweist, dem eine Einrichtung zugeordnet ist, um verdichtetes Gas aus einer Quelle für das verdichtete Gas in den Extruder während des Extrusionsprozesses zuzuführen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , bei der der Einrichtung zur Zuführung des verdichteten Gases während des Extrusionsprozesses in den Extruder mindestens ein Wärmetauscher und ein Verdichter zugeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Verdichter ein Kompressor oder eine Pumpe ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, der die Quelle für flüssiges Kohlendioxid ein Tank oder ein oder mehrere
Flaschen oder ein Flaschenbündel ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der dem Extruder mindestens ein Zyklon und/oder ein Filter nachgeschaltet ist.
16. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, für eine Herstellung pulver- oder partikelförmiger Stoffe.
17. Verwendung nach Anspruch 16 für die Herstellung von Farben und Lacken, insbesondere Pulverlacken.
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