Plastifizierung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung und Trocknung von Schüttgütern, in der Regel Kunststoffgranulaten, die für den folgenden Plastifizierprozess vorbereitet werden.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Erwärmung und Trocknung von Schüttgütern, in der Regel Kunststoffgranulaten, die für den folgenden Plastifizierprozess vorbereitet werden.

Im Besonderen erfolgt eine Anwendung für Schüttgüter, die hygroskopisch sind und daher getrocknet werden müssen um eine Degradierung des Materials während des Plastifizierprozesses zu vermeiden. Dabei wird dem Material zudem Wärmeenergie zugeführt, die den Plastifizierprozess signifikant unterstützt: der Plastifizierprozess wird stabiler, da die Plastifizierung dem Kunststoffmaterial weniger Energie zum Aufschmelzen zuführen muss.

Der Trocknungsvorgang für Kunststoffgranulat ist gemäß dem Stand der Technik bereits sehr ausgereift. In einem Trockentrichter, in dem das Material für den Plastifiziervorgang bereitgestellt wird, wird im Gegenstrom ausreichend trockene Luft eingespeist, die die überschüssige Feuchtigkeit kontrolliert aufnimmt. Bei dem gleichzeitigen Eintrag von Wärmeenergie sieht es im Stand der Technik anders aus, da diesem Vorgang nicht immer ausreichend Beachtung geschenkt wird. Grund dafür ist, dass die Messung des Energieeintrages recht anspruchsvoll ist. Zwar stört dieser Umstand nicht in dem Masse den Produktionsprozess, wie es bei zu hoher Feuchtigkeit der Fall wäre, jedoch wird der Energieverbrauch signifikant beeinflusst.

Neben dem Trockentrichter, der auch als Einstufentrocknung bekannt ist, gibt es auch bereits die zweistufige Trocknung, die häufig gerne aus Platzgründen eingesetzt wird: Bei der einstufigen Trocknung sitzt der Trockentrichter direkt über der Plastifizierung einer Spritzgiessmaschine oder eines Extruders. Häufig ist der Aufbau dadurch so hoch, dass er nicht in alle Fabrikhallen hineinpasst. Hier hilft man sich, indem der Trockentrichter neben die Maschine gestellt wird und das Material dann in einen kleineren Trichter, auch Booster genannt direkt über der Maschine gefördert wird.

In FIG 1 a ist eine bereits bekannte Bauart eines Trocken- / Boostertrichters dargestellt. Der Unterschied zwischen einem Trockentrichter und einem Booster liegt vor allem darin, dass im Trockentrichter das Schüttgut durch den Durchfluss von warmer, trockner Luft aktiv auf eine Restfeuchte von ca. 20-50ppm getrocknet und auf eine Temperatur zum Beispiel von ca. 180°C erhitzt wird. Dazu muss die Luft jedoch nach jeder Durchströmung des Schüttgutes wieder auf ca. 50-60°C gekühlt werden, um selbst wieder mittels Trockenmittel zu trocknen um dann wieder aufgeheizt zu werden.

Durch das Herunterkühlen der Luft wird viel Energie vergeudet. So liegt es nahe, den Trocknungsvorgang bei einem tieferen Temperaturniveau wie beispielsweise 120°C durchzuführen, um auf die anschließende Abkühlung der Prozessluft verzichten zu können. Für den Trocknungsvorgang wäre das kein Problem, doch würde dem Schüttgut dann zu wenig Wärmeenergie für den darauffolgenden Aufschmelzprozess zugeführt werden. Ein anderer Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass mit dieser tieferen Temperatur in dem vergleichsweise großen Trockentrichter bei sehr hohen Verweilzeiten von 5-8 Stunden das Material deutlich weniger Schädigungen erfährt. Bei der Verarbeitung von Rezyklaten entstehen zudem bei höheren Temperaturen Kondensate, die den Trockner kontaminieren und abgeschieden werden müssen. Generell werden Rezyklate daher eher bei niedrigeren Temperaturen wie z.B. 160°C getrocknet. Die Aufgabe eines weiteren Eintrags von Wärmeenergie kann dann ein weitere Heizeinrichtung, der Booster übernehmen. Die heutigen Booster dienen jedoch fast ausschließlich dazu, die eingetragene Wärmeenergie vom Trockenprozess zu erhalten, bzw. marginal zu erhöhen. Diese heute auf dem Markt erhältlichen klassischen Booster haben ihre Limits. Grundsätzlich sollte ein Booster nur relativ kleine Materialmengen aufnehmen, die beispielsweise für 20-40 min Produktionszeit ausreichen, da viele Kunststoffe, so auch das Polyethylentheraphtalat (PET) bei hohen Temperaturen degradieren. In diesen 20-40 min sollte das Kunststoffgranulat ähnlich wie beim Trockner mit einem Gegenstrom von erhitzter Luft weitere Energie aufnehmen.

Während beim Trockner, wie erwähnt, die Prozess-Rückluft heruntergekühlt wird, um eine gute Trocknung der Luft in den Trockenpatronen mit Trockenmitteln zu gewährleisten und um auch das Gebläse zu schonen, kann der Booster dagegen mit einem deutlich höheren Temperaturniveau umgehen. Die Prozessluft wird im ständigen Kreislauf im Booster durch das Kunststroffgranulat geschickt, ohne dass es zur Trocknung abgekühlt werden müsste. Dies bedeutet, dass die Luftdichte entsprechend geringer ist und für den Transport der Wärmeenergie ein deutlich größeres Luftvolumen benötigt wird.

Da die Prozessluft und damit die Wärmeenergie gemäß Stand der Technik FIG 1a gegen den Strom des Schüttgutes eingeleitet wird, kommt der Wärmeeintragsprozess bei großen Luftmengen schnell an seine Grenzen, da das Kunststoffgranulat anfängt in der Luft zu schwimmen und somit nicht mehr zur Plastifizierung abfließen kann, eine kontinuierliche und ausreichende Materialversorgung ist nicht mehr gewährleistet. Da die Durchflussgeschwindigkeit dieser Prozessluft jedoch eine Funktion der Energieeintragsgeschwindigkeit in das Granulat ist, müssen heute die Booster derartig groß gebaut werden, um die fehlende Energieeintragsgeschwindigkeit mit einer entsprechenden Verweilzeit im Boostertrichter zu kompensieren. Die erhöhte Verweilzeit bedeutet aber wieder eine direkte Gefahr für das Material, dass es degradiert.

Dieses Problem wurde bereits im DE000019840358A1 erkannt. Um den notwendigen Energiebedarf dem Schüttgut zuzuführen wird hier beschrieben, dass die heisse Prozessluft in der Längsachse im Kern des Boostertrichters durch ein Rohr eingeblasen wird FIG 1 b. Das über die gesamte Länge perforierte innere Rohr erlaubt dieser Luft, nun waagerecht durch das Kunststoffgranulat zu gelangen, ohne dabei seiner Fliessrichtung entgegenzuwirken. Ein äusseres Rohr, das für das Kunststoffgranulat einen Ringkanal bildet ist ebenfalls perforiert. Hier kann die Luft wieder aus dem Kunststoffgranulat austreten, um den Boostertrichter zu verlassen. Mit dieser Lösung ist es möglich, den Strom der Prozessluft und damit dessen Geschwindigkeit deutlich zu erhöhen, ohne dass der Granulatstrom in seiner Fliessrichtung negativ beeinflusst wird.

Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass die heisse Luft unkontrolliert über die Trichterachse dem Material zugeführt wird. Das bedeutet, dass das gesamte Material, auch das, welches gerade in den Boostertrichter gelangt unnötiger Weise mit der gleichen maximal beheizten Luft beschickt wird, wie das Material, welches kurz davor ist, aus dem Booster in die Plastifizierung zu gelangen. Versuche haben gezeigt, dass die Luft sogar bevorzugt im oberen Bereich durch das Material fliesst, da dort der Widerstand am geringsten ist. Das Material am Austritt sollte jedoch bevorzugt mit der heißesten Luft beschickt werden, um den maximalen Energieinhalt im Kunststoffgranulat bei geringster Verweilzeit vor dem Plastifizieren zu erreichen und damit jegliche Schädigung durch hohe Temperaturen bei längere Einwirkdauer zu vermeiden.

Darüber hinaus bietet der Ringkanal der Prozessluft eine vergleichsweise kurze Durchströmungsstrecke durch das Kunststoffgranulat an, welche eine effiziente Abgabe von Wärmeenergie an das Schüttgut nicht erlaubt. Daraus ergibt sich, dass die Luft nicht nur völlig diffus und unkontrolliert die Wärmeenergie an das Schüttgut abgibt, sondern wegen des kurzen Weges durch das Kunststoffgranulat sehr inneffizient die Wärmeenergie in das Schüttgut transportiert. Die Prozessluft verlässt den Boostertrichter somit wieder mit einem hohen Temperaturniveau. Die Temperaturen der Ausgangsluft deutlich über 140°C ist für normale Gebläse zu hoch, so dass diese Schaden nehmen. Es müssen teure Spezialgebläse zum Einsatz kommen, die heute kaum existieren.

Wird nun zur Unterstützung der Plastifizierung die Möglichkeit genutzt das Granulat über die übliche Temperatur von 180C° zu heizen, wie z.B. auf 220°C dann wäre die Lösung, wie in DE000019840358A1 beschrieben ungeeignet, da das Material den hohen Temperaturen zu lange ausgesetzt wäre und das Gebläse einer thermischen Überlast ausgesetzt wäre. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen genauer erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1a Boostertrichter gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 1b Boostertrichter gemäß der DE000019840358A1 ,

Fig. 2 Boostertrichter, der in Kaskaden die Prozessluft mehrfach durch das

Kunststoffgranulat leitet,

Fig. 3 Boostertrichter, der in entgegengesetzter Richtung in Kaskaden die

Prozessluft mehrfach durch das Kunststoffgranulat leitet,

Fig. 4 Boostertrichter, der über Kaskaden unterschiedlicher Länge verfügt, die die

Prozessluft mehrfach durch das Kunststoffgranulat leitet, wobei der Weg durch das Granulat stufenweise variiert wird um ggf. den Widerstand zu kompensieren,

Fig. 5 Boostertrichter, der über Kaskaden unterschiedlicher Länge verfügt, die die

Prozessluft mehrfach durch das Kunststoffgranulat leitet, wobei der Weg durch das Granulat graduell variiert wird um den Widerstand zu kompensieren.

Die Zeichnungen sollen im Folgenden die Erklärung des Trocknungs- oder Erhitzungsvorganges des Schüttgutes direkt vor dem Plastifizierungsvorgang unterstützen.

Im Gegensatz zu dem im Stand der Technik beschriebenen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung, beschreibt die Erfindung eine Lösung gemäß den FIG. 2 bis FIG. 5, in der die heiße und trockene Prozessluft mit einer Temperatur T1 gezielt im Bereich des Schüttgutauslasses zur Plastifizierung 2 des Boostertrichters 11 durch das Rohr 3 eingeblasen wird. Auch hier wird das Schüttgut 10 in einem Ringkanal 14, gebildet aus einem perforiertem Innenmantel 12 und einem perforierten Außenmantel 13 gespeichert. Die Strömungsrichtung der heißen und trockenen Prozessluft 6 entgegnet damit nicht frontal der Fließrichtung des Schüttgutes 5 und behindert es dabei zur Plastifizierung gleichmäßig abzufließen. Dies hat sich in dem beschriebenen DE000019840358A1 bewährt. Jedoch wird bei dieser Erfindung durch die innere Prozessluftbarriere 7 die Prozessluft daran gehindert, in den oberen Trichterbereich zu gelangen, sondern sie wird gezwungen im Bereich des Schüttgutauslasses 2 mit vollem Energiegehalt bei maximaler Temperatur in das Material kurz vor der Plastifizierung einzudringen um dort bei geringster Verweilzeit die optimale Wärmemenge zu übertragen.

Danach geht die Prozessluft in die erste äußere ringförmigen Kaskade 9, wo sie von der äußeren Prozessluftbarriere 8 gehindert wird, den Trichter 11 durch den Prozessluftauslass 4 zu entweichen. So ist die Prozessluft abermals gezwungen, durch den perforierten Außenmantel 13 in das Schüttgut 10 zu dringen um dann wieder durch den perforierten Innenmantel 12 im inneren Luftkanal 15, der auch eine Kaskade bildet zu gelangen.

Die Prozessluft hat dabei längst nicht mehr die Trichtereingangstemperatur, sie liegt je nach Energieabgabe vom ersten Durchfluss durch das Material signifikant tiefer, So ist diese Temperatur T2 dann auch schon weniger kritisch für das Material, was die Degradation anbelangt. Temperatur und Verweilzeit stehen im direkten Zusammenhang mit der Degradation - je höher die Temperatur, desto geringer muss die Verweilzeit gehalten werden. Dennoch ist beim zweiten Durchfluss ausreichend Energie vorhanden, um das zu durchströmende Granulat weiter zu erwärmen ohne es auf den kritischsten, thermischen Endzustand zu bringen.

Der Innere Luftkanal 15 leitet die Luft weiter höher im Trichter 1 1 , wo sie ein drittes Mal gezwungen wird, mit einer Temperatur T3 durch den perforierten Innenmantel 12 in das Schüttgut 10 zu dringen. Da das Schüttgut 10 im oberen Trichterniveau durch diese Konstruktion bisher kaum Energie aufnehmen konnte, kann die Prozessluft hier ebenfalls effizient Wärmeenergie abgeben um dann durch den perforierten Außenmantel 13 über den Prozessluftauslass 4 mit einer Temperatur T4 aus dem T richter 11 zu gelangen. Von dort wird die nun in den hier beschriebenen drei Stufen mit Temperaturdifferenzen DT abgekühlte Luft im geschlossenen Kreislauf mit einem Gebläse durch eine Heizung geblasen, um dann wieder über den Prozesslufteinlass 3 in den Trichter 11 zu gelangen.

Hier ist beschrieben, dass die Prozessluft drei Mal das Schüttgut durchwandert, was sich bewährt hat. Jedoch ist eine nur zweimalige Durchdringung oder, solange sinnvoll, eine mehrfache Durchdringung nach dem gleichen Prinzip möglich, sofern der immer größere Gegendruck und die Platzverhältnisse beachtet werden.

Natürlich kann, wie in FIG.3 gezeigt die Prozessluft auch gegensinnig eingeblasen werden, was aber für den Anspruch des anschließenden Plastifizierens nicht die gleiche Effizienz haben kann.

In Ausnahmen kann es abhängig von der Art des Schüttgutes Sinn machen, dass die Prozessluft von oben nach unten durch das Schüttgut im Boostertrichter geleitet wird. Generell können die Kaskaden 9 auch unterschiedlich lang gestaltet werden, um die Geschwindigkeit der Prozessluft zu beeinflussen. (Beispiel FIG.4 und FIG.5) Länge A ist ungleich Länge B ist ungleich Länge C. So kann es kurz vor dem Granulatauslaß 2 in die Plastifizierung sinnvoll sein, die Prozessluft im heißesten Zustand bei sehr hoher Geschwindigkeit durch das Granulat zu blasen, in dem der Kaskadenraum möglichst kurzgehalten wird und damit auch die Verweilzeit des Granulates bei den extrem hohen Temperaturen von beispielsweise 220°C möglichst kurz zu halten. Ist die Luft in den folgenden Kaskaden 9 dann bereits kühler, kann die Kaskade entsprechend grösser (länger) gestaltet werden. Dies trägt der physikalischen Tatsache Rechnung, dass sehr heisse Prozessluft bei sehr hoher Geschwindigkeit in sehr kurzer Zeit viel Energie an das Schüttgut abgeben kann und es in wenigen Minuten durchgeheizt ist. Dadurch kann eine relativ geringe Materialmenge kurz vor dem Plastifizierungsprozess effizient aufgeheizt werden, da dem Material dann keine Zeit bleibt, bei dem hohen Temperaturniveau zu degradieren. Je höher das Energieniveau vor dem Plastifizieren, desto stabiler und energiesparender ist der nachfolgende Plastifizierungsprozess.

Werden nur die Längen der Kaskaden unterschiedlich verändert, führt dies verschiedenen Widerständen für die Prozessluft. Die kleinste Kaskade würde damit den Gesamtdurchsatz pro Zeiteinheit der Prozessluft bestimmen. Ist diese aus bestimmten Gründen zu gering, kann dies mit der Weite des Ringkanals X, Y, Z kompensiert werden. FIG. 4 und FIG 5 zeigen den Ringkanal 14 mit verschiedenen Wandstärken X ist ungleich Y ist ungleich Z. Das kann erzeugt werden, in dem idealer Weise der perforierte Außenmantel 13 an den Prozessluftbarrieren 7 und 8 einen Durchmessersprung macht, der bevorzugt konisch in Fließrichtung ausgeführt wird. Natürlich kann das auch mit dem perforierten Innenmantel 12 oder mit beiden Mänteln ausgeführt werden. Einer der perforierten Mäntel oder beide können auch konisch gestaltet werden, so dass der Ringkanal 14 graduell kleiner wird. Das hätte auch den Vorteil, dass die Prozessluft bevorzugt direkt an den Barrieren 8 im letzten Moment in das Schüttgut 10 strömt.

Bezugszeichenliste

1 Schüttgutförderung

2 Schüttgutauslass zur Plastifizierung

3 Prozessluft Einlass (Prozessluft heiß und trocken)

4 Prozessluftauslass

5 Fließrichtung des Schüttgutes

6 Fließrichtung der Prozessluft

7 Prozessluftbarriere Innen

8 Prozessluftbarriere Außen

9 Kaskade Prozessluftströmung in Ringform

10 Schüttgut

11 T rocken bzw. Boostertrichter

12 Perforierter Innenmantel

13 Perforierter Außenmantel (bildet mit Innenmantel einen Ringkanal)

14 Ringkanal für Schüttgut

15 Innerer Luftkanal

16 Konische Verengung des Ringkanals

17 Engerer Ringkanal

18 Konisch verlaufender perforierter Außenmantel