DE4323000A1 - Anlage zum kontinuierlichen Plastifizieren und Filtern von Produkten wie Polymeren im pastenartigen, viskosen oder aufgeschmolzenen Zustand, viskos-elastischen Produkten und öligen Rohstoffen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum kontinuierlichen Plastifizieren und Filtern von Produkten wie Polymeren im pastenartigen, viskosen oder aufge­ schmolzenem Zustand oder von ähnlichen Produkten.

Zahlreiche Vorrichtungen zum Plastifizieren sind bekannt, welche aus einem Stator und aus einer Schnecke bestehen, welche die aufgenommenen Produkte knetet, um eine homogene Paste zu bilden.

Diese verschiedenen Vorrichtungen unterscheiden sich durch die Form Scheckenwindungen, den Wechsel der Ganghöhe usw. Gleichermaßen ist eine Art von Vorrichtungen bekannt, welche sogenannte Scheiben- oder Platten- Extruderschneckenköpfe verwendet, die ein sehr effizientes Durchkneten des Materials durch den sogenannten "Weissenbergeffekt" bewirken.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Vorrichtungen durch Schaffen einer Anlage bereitzustellen, die es ermöglicht, sehr unterschiedliche Produkte durch eine gute Temperaturregelung und das Ausscheiden nicht plastifizierter Partikel und Fremdkörper usw. zu plastifizieren.

Demzufolge betrifft die Erfindung eine Anlage, entsprechend der oben beschriebenen Art, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorteile, die den verschiedenen Zonen entsprechen, mit Temperaturregelungseinrichtungen ausgestaltet sind, wobei jede aus einem Kondensator, einer Heizeinrichtung und einer ringförmigen Kammer besteht, die das entsprechende Teil des Stators, dessen Temperatur geregelt wird, umgibt, der so gebildete Umgebungsraum ein Wärmeübertragungsmedium durch Phasenänderung enthält und die eingestellte Temperatur durch den Druck festgelegt ist, der in diesem Umge­ bungsraumes herrscht.

Die Erfindung ist durch einen Plastifiziermodul gekennzeichnet, bestehend aus:

• - einem Stator und einer ringförmigen Kammer, deren Umgebungsraum ein Wärmeaustauschmedium durch Phasenänderung enthält. Die eingestellte Temperatur wird durch den Druck innerhalb dieses Umgebungsraumes festgelegt;
• - einer Speisungsschnecke, verlängert durch einen Plastifizierdiskus. Die Einheit Schnecke und Diskus bzw. diskusförmige Scheibe ist frei schwebend angebracht, mit einem Rückhaltering am Ende des Plastifizierdiskus, wobei das Ganze ein hydrodynamisches Gleichgewicht im Inneren des Stators während der Produktbearbeitung sichert.

Dieses erste unabhängige Modul kann selbstständig in Betrieb sein, sofern landwirtschaftliche Ernährungsprodukte vom Typ Stärke, ölige Rohstoffe und Polymere bei der ersten Verwendung betroffen sind.

Auf das erste Modul kann ein zweites Modul folgen und mit dem ersten so verbunden sein, daß der Stator des ersten Moduls durch den Stator des zweiten Moduls verlängert wird, mit einer zylindrischen Bohrung, welche eine Schnecke einschließt, die im ersten Teil zum Entgasen des extrudierten Produktes ausgestaltet ist. Diese Schnecke wird durch das Ende des Plastifizierdiskus mechanisch in Rotation versetzt.

Die Schnecke in diesem entsprechenden Teil gewährleistet eine Ausscheidung der unaufgeschmolzenen bzw. unaufbereiteten Körpern oder Fremdkörper, die im extru­ dierten Produkt verblieben sind.

Dieser zweite Modul ergänzt vollständig das erste Modul in der Verarbeitung des Produkts, um die Verwendung der vermischten Produkte zu ermöglichen, damit deren technische Endeigenschaften verbessert werden.

Diese Plastifizieranlage ermöglicht das Plastifizieren unterschiedlichster Produkte, da sich die Temperatur des Plastifizierkopfes oder "-scheibe" sowohl davor als auch danach automatisch regelt, und dieses auf sehr einfache Weise durch den Druck der - selbstregulierten - Kühlungs­ einrichtung durch Phasenänderung. Es ist ausreichend, die Abhängigkeit zwischen Druck und Temperatur, die sich in jeder Anlage einstellt, zu bestimmen (diese Temperatur hängt nicht nur von der Phasenänderungsflüssigkeit ab, sondern gleichermaßen von den Eigenschaften (Gewicht, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit usw.) der Materialien, aus denen sowohl der Stator als auch die Schnecke und der Diskus bestehen, und die von einem Material zum anderen variieren), um zu ermöglichen, daß die Temperatur sehr genau eingestellt wird, einfach durch Einstellen des Druckes im Umgebungsraum, in dem der Wärmeaustausch durch Phasenänderung stattfindet.

Dieses Plastifizieren wird durch die Abtrennung von nicht plastifizierten Partikeln, Fremdkörpern usw. vervoll­ ständigt, wodurch eine vollständig homogene Paste zum Austritt aus der Anlage gelangt. Diese Paste enthält weder Blasen noch Luft- oder Gaseinschlüsse, da dieses Gas durch Entgasung ausgeschieden sein wird.

Im einzelnen besteht diese selbstgeregelte Kühlvorrichtung für den Diskus aus einem peripheren Kühlmantel, der den Stator längs des Diskus umgibt und der mit einer Kammer in Verbindung steht, die mit einer Kühleinrichtung und einer Druckregelungseinrichtung ausgestattet ist, sowie aus einer Heizeinrichtung, die mit dem Kühlmantel zusammenarbeitet, der eine Flüssigkeit enthält, die einer Phasenänderung (flüssig-gasförmig) im Bereich der einzustellenden Temperaturen unterliegt.

Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen in

Fig. 1A, 1B schematische Querschnittsansichten der kontinuierlichen Plastifizier- und Filtrationsanlage gemäß der Erfindung, wobei die Fig. 1A das erste Modul der Maschine und die Fig. 1B deren zweites Modul darstellt;

Fig. 2A eine Querschnittsansicht entlang Line II-II in Fig. 2B;

Fig. 2B einen axialen Querschnitt in der Höhe des Querschnitts III-III in Fig. 2A;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Kühleinrichtung einer Scheibe der Anlage gemäß Fig. 1A und 1B;

Fig. 4 schematisch eine Variante der Kühlvorrichtung.

Entsprechend den Fig. 1A und 1B, die längs der Linie DD nebeneinanderliegen, besteht die Anlage zum Plastifizieren und Filtern, von links nach rechts, jenseits der Antriebsgruppe, die nicht dargestellt ist, aus einer Speisungszone I, welche mit einer Homogenisierungszone III durch eine Zwischenzone II verbunden ist. Die Homogenisierungszone III ist von einer Entgasungszone IV gefolgt, dann von einer Filtrationszone V und von einer Austrittszone VI. Die Anlage ist längs einer Achse XX ausgerichtet, um die sich eine Schnecke 1 innerhalb des Stators 2 dreht.

Fig. 1A gibt das erste Modul der Plastifizierungsanlage schematisch wieder und Fig. IB das zweiten Modul.

Die vorzugsweise frei schwebend gelagerte Schnecke 1 besteht aus einem ersten, den Zonen I und II zugeordneten, gemeinsamen Teil 101, aus einem "Diskus 102, aus einem Teil 103 in der Zone IV, aus einem Teil 104 in der Zone V und aus einem Teil 105 in der Zone VI.

Der Stator 2 besteht aus Teilen in Manschettenform 201, 202, 203, 204, 205, die den Zonen I bis VI entsprechend zugeordnet und untereinander längs der Achse XX verbunden sind. Die verschiedenen Teile sind mit Temperaturregelungseinrichtungen 3 ausgestattet, die aus einem Kondensator 301 und einer Heizeinrichtung 302 bestehen, welche einer entsprechenden ringförmigen Kammer 303 des Stators zugeordnet sind. Die Temperaturregel­ ungseinrichtungen 3; die längs der Achse XX der Schnecke verteilt sind, steuern in jedem Punkt die Temperatur des Produkts, das sich zwischen dem Stator 2 und der Schnecke 1 im Umlauf befindet. Die Einrichtungen 3 werden an Hand der Fig. 3 beschrieben werden.

Der Stator 2 besitzt auf seiner gesamten Länge eine zylindrische Bohrung, außer in der Homogenisierungszone III, wo er einen Sitz für den Diskus der Schnecke bildet.

Für die Speisung besitzt der Stator eine Speisungsöffnung 206 mit einem Trichter, der nicht dargestellt ist.

In der Homogenisierungszone III besitzt der Teil 203 des Stators eine innen erweiterte, deutliche doppelkonische Form, die einen Raum definiert, der den Diskus 102 unter Bildung eines peripheren Zwischenraumes mit der äußeren Oberfläche des Diskus aufnimmt, der sich in diesem Bereich zur entsprechenden Behandlung des Produktes bewegt.

Diese Anpassung des Stators in seinem Teil 203 kann durch einen Rückhaltering, bestehend aus einem Einsatz 207, der gleichzeitig ein Verschleißteil dieser Zone mit hohem Verschleiß am Ausgang des Diskus bildet, verwirklicht oder vervollständigt werden.

Nach dem Diskus 102, in der Zone IV nach der Homogenisierung des Produkts, ist eine Entgasungsöffnung 208 vorgesehen.

In der Filtrationszone V und der Austrittszone VI besitzt der Stator 1 keine besonderen Merkmale, außer der Auslaßeinrichtung 4 für unaufgeschmolzene bzw. unaufbereitete Bestandteile im Teil 205 des Stators. Diese Einrichtung 4 besteht aus einem Anschluß 401, der mit einer Auslaßöffnung 209 des Teils 205 verbunden ist. Dieser Anschluß 401 weist eine Öffnung 402 auf, die durch ein Absperrventil 403 kontrolliert wird, das der Kraft einer Gegenfeder 404 unterliegt, die auf eine bestimmte Stärke eingestellt ist.

Wenn der Druck oberhalb des Absperrventils 403 genügend hoch ist, ermöglicht er das Öffnen desselben, so daß die unaufbereiteten Bestandteile durch die Öffnung 402 entweichen können.

Das rechte Ende des Stators ist offen, dabei ist die Dichtigkeit durch eine weiter unten beschriebenes Gegendruckgewinde gewährleistet.

Die Schnecke 1 im Stator 2 besteht aus mehreren Teilen 101- 105, deren Formen der spezifischen Funktion jedes Teils angepaßt sind.

Am Eingang in der Speisungszone 101 erfaßt das Gewinde des Schneckenteils 101 das Produkt und befördert es zum Diskus 102. Diese Schnecke 101 ist für beide Zonen I und II gemeinsam bestimmt.

Im Inneren ist die Schnecke von einem Kühlrohr 5 durchsetzt, das mit einem Ende 501 in einer Kammer 1020 des Diskus 102 einmündet.

Der Diskus 102 ist praktisch ein Organ mit der Form eines hohlen Zweispitzes (Kammer 1020), wobei an jeder Seite ein Schneckenteil vor und nach den Diskus anschließt, welches in Drehbewegung versetzt wird.

In der Entgasungszone IV besitzt der Teil 103 der Schnecke einen in der Umwälzrichtung des Produkts leicht anstei­ genden Boden, um einen die Entgasung begünstigenden Komprimierungseffekt zu erzielen.

In der Filtrationszone IV besitzt die Schnecke 104 eine Aussparung 1040, die eine Kammer 1042 definiert, in die Kanäle 1041 einmünden (Fig. 2B), die in den Schneckengängen des Schneckenteils 104 vorgesehen sind. Die Kammer 1042 bildet einen Kanal für das Filtrat, in der Richtung eines Auslaufs 108 aus der Schnecke.

Tatsächlich bilden die Kanäle 1041 den Filter: das geschmolzene bzw. aufbereitete Produkt ist hinreichend dünnflüssig, um die Kanäle 1041 zu durchfließen, wohingegen die unaufgeschmolzenen bzw. aufbereiteten Bestandteile außerhalb bleiben, um mittels der Schnecke zur Auslaßöffnung 209 für die unaufbereiteten Bestandteile transportiert zu werden.

Die Dichtigkeit der Einheit Schnecke/Stator wird durch das Gegendruckgewinde 1043 verwirklicht. Dieses Gewinde besitzt einen Gang, der dem Gang des Schneckengewindes vorher gegenläufig ist. Wenn es starr mit der Schneckeneinheit dreht, erzeugt es einen Verdrängungseffekt und stößt die unaufbereiteten Bestandteile zurück, welche dann die Öffnung 209 durchqueren und aus dem Stator austreten können.

Die Fig. 2A, 2B zeigen Details der Filtrationszone IV. In dieser Zone IV weist das Gewinde 1044 die Kanäle 1041 auf, die tangential in die Kammer 1042 einmünden, die von dem Inneren des Schneckenteils 104 und einem inneren Kernstück 1046 begrenzt ist. Die Fig. 2B zeigt nur einen Kanal 1041, während die anderen durch Striche 1047 angedeutet sind. Diese Kanäle sind tangential in die Kammer 1042 geleitet und beginnen leicht seitlich (1045) des Gewindes, um nicht durch die Innenwand des Teils 205 des Stators versperrt zu werden. Die Kanäle 1041 sollten vorzugsweise in der Nähe der Statorwandung (205) und nicht am Grund der Kehle zwischen dem Schneckengewinde ausmünden, da das Produkt nicht auf einem geeigneten Temperaturlevel sein kann und außerdem diese Kehle durch die unaufge­ schmolzenen bzw. unaufbereiteten Bestandteile besetzt ist.

Die Fig. 2A, 2B zeigen ebenfalls die ringförmige Kammer 303 der Temperaturregelungseinrichtung.

Die Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau einer selbstregulierenden Temperaturregelungseinrichtung.

Der Stator 2 ist durch einen Kreis dargestellt, der von der ringförmigen Kammer 303 umgeben ist, welche im unteren Teil durch die Heizeinrichtung 302, durch einen Heizwiderstand angedeutet, und im oberen Teil durch den Kondensator 301 begrenzt ist, der einen Kanal 3010 umfaßt, welcher gleichermaßen von einer Kühlvorrichtung 3011 umgeben und unabhängig von der Vorrichtung 302 ist und an den eine Kammer 3012 anschließt, die mit einer Druckregelungs­ einrichtung 3013 ausgestattet ist, die den Druck, der in der Kammer 3012 herrscht , und demzufolge die Temperatur im ringförmigen Raum 303 steuert.

Eine Kühlflüssigkeit ist im so gebildeten Hohlraum enthalten. Diese Flüssigkeit unterliegt einer Phasenänderung; sie verdampft und kondensiert unter Austausch ihrer latenten Wärme.

Die Fig. 4 zeigt eine andere Variante einer selbstregulierenden Einrichtung durch Phasenänderung mit Temperaturregelung von außen. Der Stator 2 ist durch einen Kreis dargestellt, der von der ringförmigen Kammer 3032 umgeben ist, die im unteren Teil durch die Heizeinrichtung 3022, durch einen Heizwiderstand angedeutet, begrenzt ist. Diese Heizeinrichtung besitzt eine niedrige Leistung. Der Stator 2 ist von einem Kapillargewebe 3042 und einer Wendel 3052 mit nicht abgedichteten Windungen für die Umwälzung des Wärmeaustauschmediums umgeben, das die Kühlung durch Verdampfen gewährleistet (Phasenänderung des Kühlmediums im Kapillarmaterial).

Das Kondensieren auf der Wendel überträgt die Wärmeeinheiten auf das Kühlmedium. Die Kondensate kehren in das Kapillarmaterial zurück. Die Einstellung ist durch eine Druckregelungseinrichtung zur Temperaturregelung gewähr­ leistet, die ein Elektroventil 3062, das den Durchsatz des Kühlmediums in der Kondensatorwendel festlegt, steuert.

Ein Rückschlagventil 3072 einerseits der Wendel erfüllt zusammen mit dem Elektroventil 3062 andererseits der Wendel die Funktion, jegliche Verdunstung des Mediums in der Wendel und so die Bildung von Ablagerungen in der Wendel zu verhindern.

Die Plastifizierungseinheit gemäß der Erfindung ermöglicht die Verarbeitung sehr unterschiedlicher Materialien, wie Polymere in pastenartigem, viskosem oder aufgeschmolzenem Zustand, sowie von Ausgangsprodukten, wie z. B. Stärke zur Herstellung von unterschiedlichsten Produkten, unter Wie­ derverwendung von wiedergewonnenen Materialien oder Her­ stellung biologisch abbaubarer Produkte.

Claims (6)

1. Anlage zum kontinuierlichen Plastifizieren und Filtrieren von Produkten wie Polymeren in pastenartigem, viskosem oder geschmolzenem Zustand und viskos-elastischen Produkten, mit zwei Modulen, einem Plastifizierungsmodul und einem Entgasungs- und Filtrationsmodul, mit einem Stator einer darin frei gelagerten Schnecke und aufeinanderfolgend einer Speisungszone zur Aufnahme des zu plastifizierenden Produkts, einer Homogenisierungszone, einer Entgasungszone, einer Zone zum Ausfiltern der unaufgeschmolzenen bzw. unaufbereiteten Bestandteile und eine Austrittszone für das plastifizierte Produkt, sowie dazwischenliegenden Zonen, wobei der Stator und die Schnecke aus verschiedenen Teilen, den verschiedenen Zonen entsprechend, hergestellt sind und die Schnecke einen Plastifizierungsdiskus aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Stators (2, 201, 202, 203, 204, 205), die den verschiedenen Zonen zugeordnet sind, mit Temperatur­ regelungseinrichtungen (3, 301, 302, 303) ausgestattet sind, wobei jede aus einem Kondensator (301), einer Heizeinrichtung (302) und einer ringförmigen Kammer (303) besteht, die das entsprechende Teil des Stators, dessen Temperatur geregelt wird, umgibt, der so gebildete Umgebungsraum ein Wärmeübertragungsmedium durch Phasen­ änderung enthält und die eingestellte Temperatur durch den Druck festgelegt ist, der in diesem Umgebungsraum herrscht.

2. Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (104) der Schnecke (1) in der Filtrationszone (V) eine Aussparung (1040) aufweist, die eine Kammer (1042) definiert, in die Kanäle (1041) münden, die in den Schneckengängen der Schnecke eingeformt sind, wobei der Durchmesser der Kanäle (1041) so ausgewählt ist, daß die Kanäle nur aufgeschmolzenes bzw. aufbereitetes Produkt durchlassen und nicht die unaufgeschmolzenen bzw. unaufbereiteten Bestandteile, und daß der Stator in seinem Teil (205) in der Nähe der Austrittszone, unterhalb der Filtrationszone (V), eine Auslaßeinrichtung (4) für die unaufgeschmolzenen Bestandteile aufweist, wobei diese Vorrichtung ein Absperrventil (403) umfaßt, das von der Kraft einer Gegenfeder (404) beaufschlagt ist.

3. Anlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1042) als ringförmiger Zwischenraum zwischen der Aussparung (1040) und einem Kernstück (1045) gebildet ist und am Austritt der Schnecke ausmündet.

4. Anlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke (1) in der Austrittszone (VI) ein Gegendruckgewinde (1043) aufweist.

5. Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelungseinrichtung (3) aus einer ringförmigen Kammer (303) besteht, die im unteren Teil mit einer Heizeinrichtung (302) und im oberen Teil mit einem Kondensator (301) mit einem Kanal (3010), umgeben von einer Heizeinrichtung (3011), umgeben ist und in eine Kammer (3012) mündet, die mit einer Druckregelungseinrichtung (3013) verbunden ist.

6. Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelungseinrichtung aus einer ringförmigen Kammer (3032), die im unteren Teil mit einer Heizeinrichtung (3022) versehen ist, aus einem Kapillargewebe und aus einer Wendel zur Umwälzung der Flüssigkeit besteht, die oberhalb mit einem Rückschlagventil und unterhalb mit einem Elektroventil, das zur Temperaturregelung von einer Druckregelungsvorrichtung gesteuert wird, versehen ist.