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Dokumentenidentifikation DE10027653C2 18.06.2003
Titel Vorrichtung und Verfahren zum Umschichten thermoplastischer Schmelzen und hochviskoser Polymerlösungen in Rohrleitungen
Anmelder Trevira GmbH, 60528 Frankfurt, DE
Erfinder Kollwig, Horst, 86399 Bobingen, DE;
Weizenegger, Hermann, 86830 Schwabmünchen, DE
Vertreter Luderschmidt, Schüler & Partner, 65189 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 03.06.2000
DE-Aktenzeichen 10027653
Offenlegungstag 13.12.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.06.2003
IPC-Hauptklasse D01D 1/06
IPC-Nebenklasse B29C 47/10   D01D 4/06   
IPC additional class // D01D 5/08  

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umschichten oder Homogenisieren thermoplastischer Schmelzen oder hochviskoser Polymerlösungen in Rohrleitungen während ihres Transports durch diese Rohrleitungen sowie ein Verfahren zum Umschichten oder Homogenisieren thermoplastischer Schmelzen oder hochviskoser Polymerlösungen.

Bei der Herstellung thermoplastischer Fasern und Filamente aus schmelzbaren Polymeren wie Polyestern, Polyamiden etc. wird die Schmelze nach der Polymerisations- oder Polykondensationsanlage bzw. nach dem Extruder als Aufschmelzvorrichtung in der Regel an mehreren Stellen in Teilströme aufgeteilt und durch beheizte Rohrleitungen zu verschiedenen Düsenköpfen geleitet, wo sie durch feine Düsenlöcher gepreßt werden. In ähnlicher Weise werden hochviskose Polymerlösungen durch Rohrleitungen zu den Spinnstellen geleitet.

Die Schmelze weist bei diesem Transport durch die Rohrleitungen Temperaturen auf, bei denen ein Zersetzungsprozeß des Thermoplasten einsetzen kann, d. h. das Polymer wird teilweise abgebaut, was mit einer Reduzierung des Polymerisationsgrades, bzw. des Molekulargewichtes verbunden ist.

Damit die Schmelzen während ihres Transports von der Schmelzvorrichtung bis zur Spinndüse möglichst gleiche Verweilzeiten haben, werden die Schmelzeleitungen beispielsweise zwischen dem Extruder als Aufschmelzvorrichung und den in unterschiedlicher Entfernung zum Extruder befindlichen Spinnköpfen gleich lang ausgeführt, wie es z. B. in der DE 22 18 239 A beschrieben wird. Dabei sind Schleifen vorgesehen, um die unterschiedliche Entfernung auszugleichen.

Ein weiteres Problem bei dem Transport von Schmelzen oder hochviskosen Lösungen besteht darin, daß während des Transports durch Leitungen viskose Schmelzen oder Lösungen eine parabolische Verteilung der Fließgeschwindigkeit über den Querschnitt der Leitung aufweisen, so daß die Schmelze bzw. die Lösung an den Wänden der Rohrleitung sich mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit bewegt, verglichen mit der Geschwindigkeit, welche in der Mitte des Querschnitts der Rohrleitung herrscht. Aufgrund dieser Geschwindigkeitsunterschiede kann es zu unterschiedlichen Veränderungen der Eigenschaften der Schmelze kommen, d. h. die Teile, welche sich am Rand und in der Nähe des Randes befinden, sind stärker thermisch abgebaut als die Teile im Zentrum der Rohrleitung. Diese Unterschiede haben zur Folge, daß beim Verspinnen dieser Schmelzen durch verschiedene Spinndüsen auch Eigenschaftsunterschiede bei den erhaltenen Fasern oder Filamenten auftreten können.

Man hat bereits versucht eine gewisse Umschichtung des am Rande fließenden Schmelzguts zur Mitte hin und des in der Mitte fließenden Schmelzguts zu den Außenwänden hin zu bewirken. So wird in der CA 771 051 eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, bei dem in Abständen ein Teil des relativ langsam sich bewegenden Fluids von den Wänden nach innen geleitet wird und umgekehrt das sich bewegende Gut von der Mitte nach Außen. Dazu sind Einlässe vorhanden, die spitz zulaufen bzw. sich erweitern. Diese Umlenker sind im Rohr mittels eines Flansches befestigt. Diese Vorrichtung ist verhältnismäßig kompliziert aufgebaut, die Flansche bewirken einen Druckabfall im Leitungssystem, außerdem läßt die Umschichtung zu wünschen übrig.

In der DE 35 17 793 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der der Schmelzestrom auf seinem Weg zur Spinneinrichtung mindestens einmal und dann im wesentlichen auf halben Wege durch radiale polarsymetrische Umlenkung um 180° in sich umgestülpt wird. Diese Umlenkung bringt ebenfalls einen Druckabfall mit sich, außerdem wird durch diese Schmelzestromführung der Weg von der Aufschmelzvorrichtung bis zur Spinneinrichtung weiter verlängert. Auch ist der Druckabfall nicht zu vernachlässigen.

In der DE 32 39 186 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umkehren einer Flüssigkeitsströmung beschrieben. Die dabei zur Verwendung gelangende Vorrichtung besteht aus zwei Bauteilen, wobei das erste Bauteil eine Bodenfläche sowie eine umgebende Wand aufweist von allgemein kreisförmigem Querschnitt und das zweite rohrförmige Bauteil in den von der umgebenden Wand des ersten Bauteils begrenzenden Bereich eindringt und in einer der Bodenfläche dieses Bauteils zugewandten Öffnung endet. Diese Vorrichtung ist ziemlich kompliziert und ein Einbau in bestehende Rohrsysteme ist äußert schwierig; im übrigen müssen dabei auch die Rohre des Leitungsrohrs verändert werden. Hinweise, durch die der Durchschnittsfachmann Anregungen bekommen könnte, einen Wender zum Umschichten von Schmelzen und viskosen Lösungen gemäß der Erfindung zu konstruieren, sind in dieser Druckschrift nicht vorhanden.

In der GB 1 360 751 wird ein Apparat zum Verteilen von hochviskosen geschmolzenen Flüssigkeiten beschrieben, der u. a. eine Heizvorrichtung umfaßt und der in einem Leitungsrohr eine Anzahl von spiralenförmig geformten blechartigen Elementen aufweist, die in der Längsrichtung des Leitungsrohrs sich erstrecken.

Auch dieser Schrift sind Hinweise, entsprechend der Erfindung zu arbeiten, nicht zu entnehmen.

Obwohl bereits eine ganze Reihe von Vorrichtungen und Verfahren bekannt sind, um die Schmelzen bzw. viskosen Lösungen, wenn sie durch Rohre transportiert werden, zu vergleichmäßigen, besteht noch ein Bedürfnis nach verbesserten Vorrichtungen bzw. Verfahren für das Vergleichmäßigen von Schmelzen in Rohrleitungen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer die Schmelze bzw. Lösung während ihres Transports durch Rohrleitungen entsprechend umgeschichtet und homogenisiert werden kann, die wirksam und effizient arbeitet, die totraumfrei ist, die einen niedrigen oder vernachlässigbaren Druckabfall im Leitungssystem verursacht, die einfach herzustellen ist und problemlos in bestehende Rohrleitungssysteme eingebaut werden kann, die insbesondere bei der Herstellung von Fäden, Fasern und Folien und Filmen nach dem Schmelzspinnprozeß oder einem Lösungsmittelverfahren eingesetzt werden kann und die bewirkt, daß Unterschiede bei den Fasern usw. aufgrund unterschiedlicher Verweilzeit oder unterschiedlicher Wärmeeinwirkung weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wender zum Umschichten von Schmelzen und viskosen Lösungen in rohrförmigen Leitungen umfassend einen zentriert angeordneten Einlaß (2) mit einem kreisförmigen Querschnitt, wobei der Radius (r) dieses Querschnitts kleiner als der Radius (R) der rohrförmigen Leitung ist und der Einlaß (2) Teil eines Rohres (1) ist, dessen Achse zur Achse der Rohrleitung einen Winkel (α) von 3 bis 45° aufweist und das dem Einlaß (2) entgegengesetzte Ende des Rohres einer schräg geschnittenen, auf die Innenwand des Leitungsrohres gerichteten Auslaß (4) aufweist, an den sich eine mantelförmige äußere, an die Randzone der Rohrleitung angrenzende Verschiebefläche (5) anschließt, und sich auf dem Einlaßrohr eine mantelförmige äußere Abschälfläche (6) befindet, die sich rohrförmig fortsetzt und einen Auslaß (7) aufweist, der einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius (r) aufweist und der Auslaß zentriert angebracht ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel α 20 bis 40°.

Das Verhältnis r/R ist vorteilhaft 0,3 bis 0,9. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Wender aus einem Stück gefräst. Als Material für den Wender ist korrosionsfester Stahl besonders geeignet.

Das Verhältnis der Länge (L) des Wenders zum Radius (R) des Innenquerschnitts des Leitungsrohrs liegt bevorzugt in einem Bereich von 3 : 1 bis 20 : 1.

Der Wender kann aus metallischen Werkstoffen bestehen vorzugsweise aus korrosionsfestem Stahl. Er kann aber auch aus nicht metallischen Werkstoffen ausgeführt sein.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Umschichten bzw. Homogenisieren thermoplastischer Schmelzen oder viskoser Lösungen beim Transport durch rohrförmige Leitungen. Das Verfahren besteht darin, daß man den Kern (Mittelteil) der Schmelze bzw. Lösungen in ein Rohr (1) leitet, dessen Achse einen Winkel α von 3 bis 45° aufweist und dessen Radius r kleiner als der Radius R des Leitungsrohres ist, und die Schmelze durch eine Auslaßöffnung (4), die auf die Innenwand des Leitungsrohrs gerichtet ist und eine mantelförmige äußere Verschiebefläche (5) aufweist, auf die Außenfläche des Leitungsrohrs leitet, und man den äußeren Teil des Schmelzestroms über eine mantelförmige äußere Abschälfläche (6) in ein Rohr leitet, und über einen Auslaß (7), der einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r aufweist, zentriert in das Leitungsrohr weiterleitet. Vorzugsweise werden bei dem Verfahren mehrere Wender eingesetzt.

Es ist vorteilhaft, wenn man den Wender im Leitungsrohr durch einschweißen, einpressen, einkleben oder einlöten befestigt.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Wenders ist möglich zur Herstellung von Fasern, Filamenten, Filmen und Folien. Dabei kann die Herstellung darin bestehen, daß man ein thermoplastisches faser- oder filmbildendes Polymer aufschmilzt oder in einem Lösungsmittel zu einer viskosen Lösung auflöst und die Schmelze bzw. die viskose Lösung von der Aufschmelzvorrichtung oder Lösevorrichtung durch eine Leitung zu einem Formwerkzeug führt und einen Formkörper durch Pressen der Schmelze oder der Lösung herstellt. Als Formwerkzeuge können dabei zur Herstellung von Filmen oder Folien Breitschlitzdüsen verwendet werden. Bei der Herstellung von Filamenten oder Fasern werden übliche Spinndüsen eingesetzt. Der erfindungsgemäße Wender wird vorzugsweise bei Verfahren eingesetzt, bei denen Schmelzen zur Herstellung der Filme, Folien, Fasern oder Filamente erzeugt werden.

Weiterhin wird der erfindungsgemäße Wender beim sogenannten Direktspinnen eingesetzt, wo die Schmelze direkt von der Polykondensationsanlage zu den Formwerkzeugen, wie Spinndüsen, Schlitzdüsen und dergleichen geleitet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand der Figuren, 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 stellt einen erfindungsgemäßen Wender, eingebaut in einem Leitungsrohr, dar.

Fig. 2 stellt eine Prinzipzeichnung des erfindungsgemäßen Wenders dar.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Wender schematisch dargestellt, der in ein Leitungsrohr mit dem Radius R eingebaut ist. Dabei stellt 2 einen zentriert angeordneten Einlaß mit einem kreisförmigen Querschnitt des Radius R dar. Dieser Einlaß 2 ist Teil eines Rohres 1, dessen Achse zur Achse der Rohrleitung einen Winkel α bildet, das dem Einlaß 2 entgegengesetzte Ende des Rohres weist ein schräg geschnittenen, auf die Innenwand des Leitungsrohres gerichteten Auslaß 4 auf. Die mantelförmige äußere, an die Randzone der Rohrleitung grenzende Verschiebefläche 5 dient zum Verteilen des durch den Einlaß 2 eingetretenen Schmelzeguts in die Randzone des Leitungsrohres. Die Abschälfläche 6 dient zum Abschälen des Schmelzguts aus der Mantelzone des Leitungsrohres; das Schmelzgut wird sodann durch die rohrförmige Fortsetzung geleitet, die einen Auslaß 7 aufweist. Dieser Auslaß 7 hat ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt mit dem Radius (r).

In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Wender als solcher skizziert, wobei die Numerierungen die gleiche Bedeutung haben wie in Fig. 2.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird zunächst in das Leitungsrohr der erfindungsgemäße Wender eingebaut, dabei können mehrere Wender hintereinander in mehr oder weniger kurzen Abständen eingebaut werden. Der Schmelze- oder Lösungsstrom, der hier von links nach rechts bewegt wird, wird beim Auftreffen auf den Wender in einen Kern- und in einen Randteil aufgeteilt. Dabei gelangt der Kernteil durch die kreisförmige zentriert angebrachte Öffnung 2 und durch die rohrförmige Verlängerung an die Außenfläche des Leitungsrohrs, wohingegen die um die Kernzone befindliche Randzone des Stromes in ein Rohr geleitet, das am Ende des Wenders die Randzonen zentriert in das Leitungsrohr weiterleitet. Die Masse der ursprünglichen Kernzone und der ursprünglich äußeren Zone bewegen sich sodann gemeinsam im Leitungsrohr weiter. Durch den Wender ist ein Austausch zwischen Kern- und Randzone durchgeführt worden. Das Verteilen der Kernzone in den Außenbereich findet über eine Verschiebefläche 5 statt, die in Form einer mantelförmigen schiefen Ebene ausgeführt ist.

Durch Wählen eines entsprechenden Verhältnisses r zu R kann die Dicke der abgeschälten äußeren Schicht variiert werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn aufgrund der Verweilzeiten im Leitungsrohr die Unterschiede der Eigenschaften der Schmelze bzw. Lösungen sich nur in dünnen Randbereichen bemerkbar machen.

So ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich eine genau definierbare Randströmung gegen die restliche Kernströmung auszutauschen. Das selbe gilt natürlich auch umgekehrt, d. h. man kann auch definierte Kernströmungen sehr genau aufnehmen und gegen entsprechende Randströmung austauschen.

Das Verfahren kann für alle üblichen Schmelzen von thermoplastischen Polymeren wie Polyamiden, Polyestern, Polyolefinen usw. durchgeführt werden. Das Verfahren ist auch geeignet für viskose Lösungen von Polymeren wie hochviskose Lösungen von Polyacrylnitril, aber auch von natürlichen Polymeren wie Zellulose in entsprechenden Lösungsmitteln wie z. B. NMMO.

Die Herstellung des Wenders ist sehr einfach. Er läßt sich auf besonders wirtschaftliche Weise durch einfaches Fräsen in einem Stück herstellen. Er kann sehr einfach in die Transportleitung eingebaut werden und dort beispielsweise durch Löten, Einschweißen, Einpressen oder Einkleben befestigt werden. Es ist auch möglich, den Wender gemäß der Erfindung in Rohrstücke einzubauen und diese Rohrstücke später durch einfaches Einschweißen in Transportleitungen einzubauen. Auf diese Weise ist es möglich, ohne große Mühen entsprechende Wender in vorhandenen Rohrleitungen einzufügen.

Aufgrund seiner Konstruktion kann der Wender beim Transport von Schmelzen und viskosen Lösungen in beiden Richtungen verwendet werden. Dies bedeutet einerseits, daß beim Einbau entsprechender Wender sozusagen keine Fehler beim Einbau gemacht werden, etwa daß man den Wender verkehrt herum eingebaut hätte. Außerdem kann ohne weiteres die Transportrichtung in der Leitung gewechselt werden. Der erfindungsgemäße Wender erfüllt auch bei einem Strom des Schmelzguts in der entgegengesetzten Richtung seine Funktion.

Mittels des erfindungsgemäßen Wenders ist es möglich, die Viskosität der Schmelze so zu vergleichmäßigen, daß Unterschiede, wenn die Schmelze auf die einzelnen Düsen verteilt werden, nicht mehr oder allenfalls noch in vernachlässigbarem Umfang vorhanden sind.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung einen äußerst geringen Druckverlust beim Transport durch die Leitungen verursacht, was sich besonders vorteilhaft auf die Produktivität auswirkt. Ferner kommt es durch den Einbau der erfindungsgemäßen Wender nicht zu einer Verlängerung der Verweilzeiten, auch können sich keine toten Räume bei den Umlenkungen bilden.


Anspruch[de]
  1. 1. Wender zum Umschichten von Schmelzen und viskosen Lösungen in rohrförmigen Leitungen umfassend einen zentriert angeordneten Einlaß (2) mit einem kreisförmigen Querschnitt, wobei der Radius (r) dieses Querschnitts kleiner als der Radius (R) der rohrförmigen Leitung ist und der Einlaß (2) Teil eines Rohres (1) ist, dessen Achse zur Achse der Rohrleitung einen Winkel (α) von 3 bis 45° aufweist und das dem Einlaß (2) entgegengesetzte Ende des Rohres einen schräg geschnittenen, auf die Innenwand des Leitungsrohres gerichteten Auslaß (4) aufweist, an den sich eine mantelförmige äußere, an die Randzone der Rohrleitung angrenzende Verschiebefläche (5) anschließt, und sich auf dem Einlaßrohr eine mantelförmige äußere Abschälfläche (6) befindet, die sich rohrförmig fortsetzt und einen Auslaß (7) aufweist, der einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius (r) aufweist und der Auslaß zentriert angebracht ist.
  2. 2. Wender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α 20 bis 40° beträgt.
  3. 3. Wender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis r/R 0,3 bis 0,9 beträgt.
  4. 4. Wender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Stück gefräst ist.
  5. 5. Wender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem metallischen Werkstoff besteht.
  6. 6. Wender nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus korrosionsfestem Stahl besteht.
  7. 7. Wender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem nicht metallischen Werkstoff besteht.
  8. 8. Wender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Wender in dem Leitungsrohr eingeschweißt sind.
  9. 9. Wender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Wender im Leitungsrohr eingepreßt ist oder sind.
  10. 10. Wender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wender oder mehrere Wender im Leitungsrohr eingeklebt sind.
  11. 11. Wender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Wender im Leitungsrohr eingelötet sind.
  12. 12. Verfahren zum Wenden, beziehungsweise Homogenisieren von Polymerschmelzen oder hochviskosen Polymerlösungen, indem man den Kern (Mittelteil) der Schmelze bzw. Lösungen in ein Rohr (1) leitet, dessen Achse einen Winkel α von 3 bis 45° aufweist und dessen Radius r kleiner als der Radius R des Leitungsrohres ist, und die Schmelze durch eine Auslaßöffnung (4), die auf die Innenwand des Leitungsrohrs gerichtet ist und eine mantelförmige äußere Verschiebefläche (5) aufweist, auf die Außenfläche des Leitungsrohrs leitet und man den äußeren Teil des Schmelzestroms über eine mantelförmige äußere Abschälfläche (6) in ein Rohr leitet, und über einen Auslaß (7), der einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r aufweist, zentriert in das Leitungsrohr weiterleitet.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Leitungsrohr der Schmelzestrom durch mehrere Wender geleitet wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch nach 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die derart gewendeten bzw. homogenisierten Polymerschmelzen oder hochviskosen Polymerlösungen zu Fasern oder Filamenten verarbeitet werden.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die derart gewendeten bzw. homogenisierten Polymerschmelzen oder hochviskosen Polymerlösungen zu Filmen oder Folien verarbeitet werden.






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