Mit hohem Durchsatz

Klaus Kapfer, Dr. Wolfgang Schneider

Typische Aufgaben in der chemischen Verfahrenstechnik sind das Mischen und Homogenisieren von flüssigen oder pastösen Produkten. Häufig laufen zusätzlich chemische Reaktionen oder physikalische Umwandlungsprozesse ab und außerdem sind prozesstechnisch vorgegebene Temperaturen in engen Grenzen einzuhalten. Beispiele für solche Prozesse sind das Aufbereiten von Dicht- und Klebermassen, von Bautenschutzfolien und Fußbodenbelägen, von Waschmitteln und Chemikalienbatches, von Elektrodenmassen oder von Thermoplastischen Elastomeren (TPE), aber auch die Herstellung von Polyacetalen (POM) aus Trioxan oder von speziellen Polyamid-Elastomeren aus Caprolactam.

In allen diesen Anwendungen haben sich kontinuierlich arbeitende Schneckenmaschinen bestens bewährt. Für einen wirtschaftlichen Betrieb sollen diese Maschinen aus Anwendersicht einen möglichst hohen Durchsatz bei möglichst niedrigen Investitionskosten und geringem Platzbedarf erreichen. Genau an diesen Vorgaben und an den spezifischen Anforderungen der chemischen Verfahrenstechnik haben sich die Entwickler der beiden Schneckenmaschinen orientiert.

Der als Nachfolger des bewährten Misch- und Knetextruders Continua entwickelte MEGAvolumeZSK besitzt mit einem Verhältnis für Außen- zu Innendurchmesser der Schnecken von Da:Di=1,8 das größte Gangtiefenverhältnis aller zweiwelligen Schneckenkneter (ZSK) von Coperion Werner&Pfleiderer. Durch das große freie Volumen im Verfahrensteil, den leistungsstarken Antrieb mit hohem Drehmoment – etwa doppelt so viel wie bei der Continua – und die dadurch mögliche hohe Drehzahl, erreicht der MEGAvolumeZSK je nach Anwendung einen bis zu 300% höheren Durchsatz als bisherige Maschinen gleicher Baugröße. Er ist für Prozesse konzipiert, die eine spezifische Energieeinleitung von etwa 0,1kWh/kg erfordern und eignet sich ganz besonders für Produkte mit geringer Schüttdichte. Die Kompaktversion der MEGAvolumeZSK – sie wird mit angebautem Steuer- und Leistungsschrank anschlussfertig geliefert – ist besonders platzsparend und lässt sich ohne Montagearbeiten vor Ort in kürzester Zeit in Betrieb nehmen.

Zur Familie der in der Chemie- und Kunststoffbranche etablierten Buss Ko-Kneter zählt die Ausführung quantec. Bei dieser einwelligen Schneckenmaschine führt die Schneckenwelle bei jeder Umdrehung zugleich eine axiale Oszillation durch. Dieses Verfahrensprinzip haben die Konstrukteure von Coperion Buss weiterentwickelt, so dass die quantec bei gleicher Baugröße den doppelten bis dreifachen Durchsatz erreicht. Sie besitzt dafür einen speziell gestalteten Einzugsbereich, der ein um 50% vergrößertes Volumen aufweist und der auch voluminöse Ausgangsmaterialien freifließend ohne Stopfwerk aufnimmt. In der Prozesszone erhöht die vierflügelig ausgeführte Schnecke (Abb.1) die Fördersteifheit und verbessert die Mischwirkung. Für eine schnelle, problemlose Inbetriebnahme ist die quantec mit der nachgeschalteten Austragschnecke mechanisch und elektrisch betriebsfertig auf einer Grundplatte montiert.

Beiden Maschinen gemeinsam ist ihre große Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Aufgaben. Für MEGAvolumeZSK und quantec stehen jeweils eine große Zahl unterschiedlicher Schneckenelemente zur Verfügung, die auf die Schneckenwelle aufgereiht werden. Dadurch lässt sich der modular erweiterbare Verfahrensteil in einzelne Prozesszonen gliedern. Dies erlaubt es, die unterschiedlichen Aufbereitungsschritte in sinnvoller Reihenfolge durchzuführen. So ist es beispielsweise zweckmäßig, hochviskose Produkte zuerst zu plastifizieren und für eine effektive Einmischung niedrigviskose oder abrasive Produkte stromab über eine Seiteneinspeisung zuzugeben. Diese Arbeitsweise senkt zugleich den verfahrenstechnisch bedingten Verschleiß.

Die Geometrie der Schneckenelemente hat großen Einfluss auf die Art der Mischwirkung. Zum Aufschließen von Agglomeraten durch dispersives (zerteilendes) Mischen erzeugen spezielle Knetelemente eine mit intensiver Scherung verbundene Dehnströmung im Material. Zum Homogenisieren durch distributives (verteilendes) Mischen dienen Mischelemente, die das Material durch Umlagerungsvorgänge bei sehr geringer Scherung äußerst schonend vermengen.

Seit vielen Jahren werden Polyacetale (Polyoxymethylen, POM) im Ko-Kneter durch reaktives Extrudieren polymerisiert. Bei dieser Flüssig-Flüssig-Reaktion werden zunächst Trioxan und Katalysator, zur Erzeugung von POM-Copolymeren außerdem ein flüssiges Comomomer, in einem 17D langen Verfahrensteil eingemischt. Bei der exothermen Reaktion entsteht eine hochviskose Suspension, die noch weiter stromab in einen Feststoff übergeht und ausgetragen wird. Zum Beenden der Reaktion müssen kurz vor dem Austrag flüssige Stopper (Essigsäure, Wasser) zudosiert und vermischt werden. Für einen hohen chemischen Umsatz muss die Reaktion unterhalb der Schmelztemperatur von POM ablaufen. Die Temperierung von Schnecke und Gehäuse muss die Reaktionswärme sowie die beim distributiven Mischen der hochviskosen Suspension erzeugte Wärme abführen.

Weitere Anwendungen in diesem Bereich sind das Polymerisieren und Compoundieren unterschiedlicher Silikonelastomere aus verschiedenartigen Oligomeren oder von thermoplastischen Elastomeren auf Polyamid-Basis, ausgehend von Caprolactam.

Beim Herstellen von reaktiven Schmelzklebern, die später unter Temperatur aushärten, besteht die Aufgabe darin, verschiedene Kunststoffe und Harze mit Füllstoffen, Verarbeitungshilfsmitteln und Vernetzern innig zu vermischen (Abb. 2), ohne die zum Anspringen der Aushärtungsreaktion erforderliche Temperatur zu erreichen. Die Temperierung muss sicherstellen, dass die verfahrenstechnisch vorgegebenen Temperaturen auch in Zonen mit intensiver Mischwirkung nicht überschritten werden.

Eine ähnlich temperaturkritische Aufgabe ist die Herstellung von duroplastischen Melaminharz-Formmassen z.B. aus Melamin und Kalilauge.

Zum Herstellen von Dämm-Massen aus Polymeren, Weichmachern und einem hohen Anteil von Füllstoffen wird der MEGAvolumeZSK mit unterschiedlich langen Verfahrenszonen eingesetzt. Die Polymere werden in das erste Gehäuse dosiert, die Füllstoffe ebenfalls hier oder weiter stromab. Danach folgen eine Einspeisung für Weichmacher sowie eine Vakuumentgasung vor dem Austrag der Masse (Abb.3). Am Beispiel einer kurzen Verfahrenszone zeigt ein Systemvergleich auf der Basis eines geforderten Durchsatzes von 6000kg/h, dass ein MEGAvolumeZSK125 wesentlich wirtschaftlicher arbeitet als die bisher verwendeten Continua mit 170mm Schneckendurchmesser. Entscheidend dafür ist das von 4,3 auf 8,7Nm/cm³ erhöhte spezifische Drehmoment. Dadurch kann die Drehzahl bei unverändert hoher Produktqualität von 300 auf 750min-1 angehoben werden. Durch die geringere Baugröße der Maschine reduziert sich der Investitionskostenanteil in den spezifischen Herstellkosten der Dämmmasse um rund 50%.

Die Herstellung von Haftklebern erfordert mehrere Seiteneinspeisungen, um in plastifizierte (synthetische) Kautschuke als Basismaterial nacheinander Füllstoffe, Harze und flüssige Komponenten zugeben und einmischen zu können. Wie im vorhergehenden Beispiel belegt ein Vergleich mit dem bisher verwendeten MEGAcompounderZSK – hier auf der Basis fast gleicher Maschinenpreise -, dass der MEGAvolumeZSK den Investitionskostenanteil wesentlich senkt, in diesem Fall um rund 45%. Maßgebend dafür ist diesmal das um 40% größere freie Volumen, durch das der Durchsatz von 650 auf 1000kg/h ansteigt.

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