СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНОГО ГРАНУЛЯТА Российский патент 2012 года по МПК B29C44/34 C08J9/16 

Изобретение относится к способу производства полимерного гранулята. Далее изобретение касается установки для производства полимерного гранулята.

Способные к экспандированию, т.е. увеличению в объеме, расширению, вспениванию, или уже подвергнутые экспандированию полимерные грануляты уже давно применяются для производства формованных изделий из пенопласта. При этом способные к экспандированию полимерные грануляты производятся по большей части из полистирола, в то время как уже экспандированные полимерные грануляты производятся по большей части из полипропилена. Способность к экспандированию или расширению полимерных гранулятов достигается с помощью вспенивателей - газообразующих, раздувающих веществ.

Способные к экспандированию полимерные грануляты производятся с помощью известного метода полимеризации, при котором вспениватели и добавки добавляются уже в полимеризационном реакторе. Недостатком этого метода является то, что из-за применяемых вспенивателей и добавок наблюдается лишь малая эластичность, и, в частности, применяемые добавки влияют на реакцию полимеризации. К тому же произведенные таким способом полимерные грануляты имеют широкий разброс по величине, так что после изготовления их следует рассортировывать, что довольно трудоемко.

Из EP 1517947 B1 известен способ производства способных к экспандированию стирольных полимеров. При этом способе вспениватель подмешивается в расплав стирольных полимеров посредством статического или динамического смесителя. Содержащий вспениватель расплав стирольных полимеров в заключение охлаждается и гранулируется. При этом способе предпочтительно применяются статические смесители, т.к. внесение механической и термической энергии в расплав стирольных полимеров следует держать настолько малым, насколько это только возможно.

Недостатком является то, что и при этом способе наблюдается малая эластичность из-за применяемых вспенивателей и добавок.

Поэтому в основе изобретения лежит задача предложить способ и установку для производства полимерного гранулята, позволяющие выполнять простое и гибкое подмешивание добавок и вспенивателей в полимер при высокой производительности.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью способа с признаками по п.1 формулы изобретения. Благодаря первому охлаждению полимерного расплава перед добавлением как минимум одной добавки она может быть бережно подмешана в полимерный расплав. В частности, облегчается бережное подмешивание по меньшей мере одной добавки еще перед добавлением по меньшей мере одного вспенивателя. Таким образом, в полимерный расплав могут быть подмешаны и такие чувствительные к температуре добавки, как, например, огнезащитные средства или модификаторы ячеек. Полимерный расплав имеет после первого охлаждения температуру менее 240°C, в частности менее 220°С, и, в частности, даже менее 200°C. С помощью статического охладителя расплава достигается гомогенное охлаждение и единый температурный профиль полимерного расплава. Благодаря тому что подмешивание как минимум одной добавки и как минимум одного вспенивателя производится исключительно с помощью шнекового экструдера, то есть динамического смесителя, то добавка и вспениватель подмешиваются в полимерный расплав весьма гомогенно. Так как по меньшей мере одна добавка и по меньшей мере один вспениватель добавляются в шнековый экструдер, внесение добавки и вспенивателя по сравнению с известным способом полимеризации может просто и быстро варьироваться. Благодаря тому что полимерный расплав перед подмешиванием по меньшей мере одной добавки и по меньшей мере одного вспенивателя охлаждается, возникающее от вноса энергии завихрения повышение температуры при смешивании посредством шнекового экструдера не воздействует на расплав отрицательно. Благодаря второму охлаждению содержащего добавки и вспениватели полимерного расплава повышение температуры при подмешивании как минимум одной добавки и как минимум одного вспенивателя выравнивается. Далее, благодаря второму охлаждению вытекающее из добавления как минимум одного вспенивателя падение вязкости полимерного расплава выравнивается, причем полимерный расплав охлаждается до температуры, потребной для гранулирования. Полимерный расплав имеет после второго охлаждения температуру менее 220°C, в частности менее 200°C, и, в частности, даже менее 170°C. Статический охладитель расплава вновь способствует гомогенному охлаждению и созданию единого температурного профиля полимерного расплава.

В качестве полимеров могут применяться, например, полистирол, полиэтилен, полипропилен, а также смеси этих полимеров. Кроме того, могут применяться также полимеры на основе вновь появляющихся видов сырья, как, например, полилактиды, а также способные к разложению полимеры, как, например, ацетаты целлюлозы. В качестве добавок могут, например, подмешиваться в полимерный расплав огнезащитные средства, модификаторы ячеек, графиты или красители. В качестве вспенивателей в полимерные расплавы могут подмешиваться углеводороды, как, например, н-пентан или изопентан, спирты, диоксид углерода, азот или смеси этих соединений. В зависимости от выбора полимера и как минимум одного вспенивателя в зависимости от способа гранулирования могут производиться как способные к экспандированию, так и экспандированные полимерные грануляты. Для производства способных к экспандированию полимерных гранулятов предпочтительным является подводное гранулирование, тогда как для производства экспандированных полимерных гранулятов предпочтительнее водокольцевое гранулирование. Благодаря непрерывному способу согласно изобретению становится возможным производство способных к экспандированию или уже экспандированных полимерных гранулятов с высокой производительностью.

Благодаря охлаждению согласно п.2 формулы изобретения температура полимерного расплава во время подмешивания по меньшей мере одной добавки и/или подмешивания по меньшей мере одного вспенивателя может удерживаться постоянной. Это положительно воздействует на качество полимерного гранулята.

Благодаря созданию застойной зоны согласно п.3 формулы изобретения предотвращается проникновение по меньшей мере одного вспенивателя в направлении зоны смешивания для введения в смесь по меньшей мере одной добавки.

Благодаря действию давления согласно п.4 формулы изобретения исключается выпадение в осадок упомянутого вспенивателя из полимерного расплава из-за падения давления. Для избежания выпадения в осадок давление во время подмешивания вспенивателя можно или поддерживать постоянным, или повысить.

Благодаря повышению давления согласно п.5 формулы изобретения, с одной стороны, производится давление, необходимое для осуществления последующих шагов способа, и, с другой стороны, шнековый экструдер в максимальной степени освобождается от функции повышения давления, вследствие чего не наступает повышение температуры полимерного расплава в шнековом экструдере.

Благодаря приготовлению полимерного расплава согласно пункту 6 формулы изобретения достигается высокая экономичность способа, т.к. полимерный расплав может быть взят непосредственно из полимеризационного реактора, и нет необходимости в дополнительной энергии для производства полимерного расплава.

Далее задача решается с помощью установки с признаками по п.7 формулы изобретения. Преимущества установки, созданной согласно изобретению, соответствуют преимуществам способа согласно изобретению.

Исполнение шнекового экструдера согласно п.11 формулы изобретения облегчает особо гомогенное и бережное введение в смесь по меньшей мере одной добавки и по меньшей мере одного вспенивателя при высокой производительности.

Насос для перекачивания расплава согласно п.12 формулы изобретения освобождает шнековый экструдер от функции повышения давления, необходимого для последующих шагов способа, и, таким образом, не происходит повышение температуры полимерного расплава в шнековом экструдере. Первый насос для перекачивания расплава установлен между шнековым экструдером и вторым статическим охладителем расплава, и, вследствие этого, насос для перекачивания расплава нагнетает полимерный расплав через статический охладитель расплава и через установку для гранулирования. Дополнительно может быть предусмотрен второй насос для перекачивания расплава между вторым статическим охладителем расплава и установкой для гранулирования. Насосы для перекачивания расплава преимущественно выполняются как шестеренчатые насосы высокого давления.

Насос для перекачивания расплава согласно п.13 формулы изобретения допускает повышение давления полимерного расплава после его выхода из полимеризационного реактора, так что полимерный расплав нагнетается через первый статический охладитель расплава. Насос для перекачивания расплава преимущественно выполняется как шестеренчатый насос высокого давления.

Дальнейшие признаки, отдельные детали и преимущества изобретения будут ясны из нижеследующего описания примера исполнения.

На чертежах показаны:

на фиг.1 - устройство для производства полимерного гранулята в виде схемы;

на фиг.2 - поперечное сечение шнекового экструдера по линии разреза II-II на фиг.1.

Устройство 1 для производства полимерного гранулята имеет для приготовления полимерного расплава 2 полимеризационный реактор 3 с резервуаром реактора 4. Полимеризационный реактор 3 выполнен обычным известным образом.

К полимеризационному реактору 3 присоединен в направлении перемещения 5 первый насос для перекачивания расплава 6, который впадает в полимеризационный реактор 3. Насос для перекачивания расплава 6 выполнен как шестеренчатый насос высокого давления и имеет два приводимых во вращение шестеренчатых ротора 7, 7', расположенных в корпусе насоса 8. Относительно подробной конструкции такого шестеренчатого насоса высокого давления рекомендуется обратиться к EP 1295036 B1 (соотв. US 6,761,546 B2).

К первому насосу для перекачивания расплава 6 присоединен в направлении перемещения 5 первый статический охладитель расплава 9, с которым соединен первый насос для перекачивания расплава 6. Статический охладитель расплава 9 включает корпус охладителя 10, в котором установлен обычный статический смешивающий орган смесителя 11. Для охлаждения полимерного расплава 2 корпус охладителя 10 снабжен охлаждающим элементом 12. Статический смешивающий орган смесителя 11 выполнен обычным образом и описан, например, в EP 1067352 B1.

К первому охладителю расплава 9 присоединен в направлении перемещения 5 выполненный как двухвалковая шнековая мешалка шнековый экструдер 13. Шнековый экстру дер 13 по своей основной конструкции выполнен обычным образом и снабжен двумя шнеками 14, 14', расположенными в соответствующих отверстиях 15, 15' корпуса 16. Как следует из фиг.2, шнеки 14, 14' выполнены в плотном зацеплении и вращающимися в одном направлении. Привод шнеков 14, 14' выполнен от электродвигателя 17 через понижающую и разветвительную передачу 18, к которой прифланцован корпус 16. Соседствуя с приводом 18, с расположенным в направлении против потока концом шнекового экструдера 13 соединен через отверстие подвода расплава 19 в корпусе 16 первый охладитель расплава 9.

Шнековый экструдер 13 имеет в направлении движения потока 5 расположенные одна за другой зону всасывания 20, первую зону смешивания 21, застойную зону 22 и вторую зону смешивания 23. В зоне всасывания 20 шнеки 14, 14' оснащены шнековыми винтовыми лопастями 24 для перемещения полимерного расплава 2 в направлении движения потока 5.

На расположенном в направлении против потока конце первой зоны смешивания 21 для подвода добавок 25 выполнено отверстие для ввода добавок 26 в корпусе 16. Первое загрузочное устройство 27 вводится в корпус 16 через отверстие для ввода добавок 26. Загрузочное устройство 27 выполнено как двухвалковый винтовой (шнековый) транспортер. В первой зоне смешивания 21 шнеки 14, 14' имеют шнековые винтовые лопасти 24, а для подмешивания добавок 25 - смешивающие и перемешивающие элементы 28. Шнековый экструдер 13 имеет в первой зоне смешивания 21 первое устройство охлаждения 29 для охлаждения полимерного расплава 2.

В застойной зоне 22, расположенной между зонами смешивания 21, 23, шнеки 14, 14' имеют подающие в направлении против движения потока 5 шнековые винтовые лопасти 30.

На расположенном в направлении против потока конце второй зоны смешивания 23 для подвода вспенивателей 31 в корпусе 16 выполнено отверстие для ввода вспенивателей 32. Второе загрузочное устройство 33 вводится в корпус 16 через отверстие для ввода вспенивателей 32. Загрузочное устройство 33 выполнено как поршневой насос. Во второй зоне смешивания 23 шнеки 14, 14' имеют шнековые винтовые лопасти 24, а для подмешивания вспенивателей 31 в полимерный расплав 2 - смешивающие и перемешивающие элементы 34. Для охлаждения полимерного расплава 2 шнековый экструдер 13 имеет во второй зоне смешивания 23 второе устройство охлаждения 35.

К шнековому экстру деру 13 в направлении движения потока 5 присоединен второй насос для перекачивания расплава 36, а к нему - второй статический охладитель расплава 37, причем шнековый экструдер 13 входит во второй насос для перекачивания расплава 36, а он, в свою очередь, во второй охладитель расплава 37. Конструкция второго насоса для перекачивания расплава 36 соответствует конструкции первого насоса для перекачивания расплава 6. И далее конструкция второго охладителя расплава 37 соответствует конструкции первого охладителя расплава 9.

Ко второму охладителю расплава 37 в направлении движения потока 5 присоединен третий насос для перекачивания расплава 38, а к нему - устройство для гранулирования 39, причем второй охладитель расплава 37 входит в третий насос для перекачивания расплава 38, а он, в свою очередь, в устройство для гранулирования 39. Конструкция третьего насоса для перекачивания расплава 38 соответствует конструкции первого и второго насосов для перекачивания расплава 6, 36.

Устройство для гранулирования 39 выполнено как подводное устройство для гранулирования. В отношении конкретной конструкции подобного устройства для гранулирования рекомендуется обратиться к DE 10322610 A1 или к EP 1110695 B1 (соотв. US 6,547,549 B2).

Способ действия изложен ниже.

В полимеризационном реакторе 3 производится полимерный расплав 2, в частности расплав из полистирола, полипропилена, полиэтилена, полилактидов, ацетатов целлюлозы или смеси этих полимеров.

Полимерный расплав 2 имеет при выходе из резервуара реактора 4 температуру от 240°C до 300°C. Полимерный расплав 2 после выхода из резервуара реактора 4 транспортируется с помощью первого насоса для перекачивания расплава 6 с давлением от 70 до 300 бар в первый статический охладитель расплава 9. В первом статическом охладителе расплава 9 температура полимерного расплава 2 понижается, чтобы обеспечить щадящую дальнейшую переработку полимерного расплава 2. После выхода из первого охладителя расплава 9 полимерный расплав 2 имеет температуру менее 240°C, в частности менее 220°C, и, в частности, даже менее 200°C.

В заключение охлажденный полимерный расплав 2 подается через отверстие для подачи расплава 19 шнекового экструдера 13. С помощью первого загрузочного устройства 27 к охлажденному полимерному расплаву 2 добавляется как минимум одна добавка 25 через отверстие для ввода добавок 26. В качестве добавок 25 применяются, в частности, огнезащитные средства, модификаторы ячеек, графиты или красители. Дополнительно через отверстие для ввода добавок 26 могут добавляться дальнейшие вспомогательные средства, используемые в процессе.

Вводимые добавки 25 гомогенно подмешиваются в первой зоне смешивания 21 в охлажденный полимерный расплав 2 с помощью смешивающих и перемешивающих элементов 28. Содержащий добавки полимерный расплав 2 при перемешивании охлаждается посредством первой установки охлаждения 29, так что возникающее из-за внесения энергии завихренности повышение температуры полимерного расплава 2 сглаживается. Благодаря винтовым шнековым лопастям 30 создается зона застоя 22, в которой отверстия 15, 15' полностью заполнены полимерным расплавом 2. Полимерный расплав 2 действует в зоне застоя 22 как уплотнение между первой зоной смешивания 21 и второй зоной смешивания 23.

С помощью второго загрузочного устройства 33 через отверстие для ввода вспенивателей 32 в содержащий добавку полимерный расплав 2 вводится как минимум один вспениватель 31. В качестве вспенивателя 31 применяются, в частности, углеводороды, как, например, н-пентан или изопентан, диоксид углерода, азот или смеси этих соединений. Ввиду наличия зоны застоя 22 не происходит никакой потери вспенивателя 31 в направлении первой зоны смешивания 21. Вспениватель 31 добавляется в жидкой или газообразной форме и с помощью смешивающих и перемешивающих элементов 34 во второй зоне смешивания 23 гомогенно подмешивается в содержащий добавку полимерный расплав 2. Содержащий добавки и вспениватели полимерный расплав 2 во второй зоне смешивания 23 охлаждается с помощью второго устройства охлаждения 35, так что возникающее из-за внесения энергии вихренности повышение температуры полимерного расплава 2 сглаживается. Температура полимерного расплава 2 на выходе из шнекового экструдера 13 в значительной степени соответствует температуре при входе в шнековый экструдер 13. Давление полимерного расплава 2 при добавлении вспенивателя 31 поддерживается во второй зоне смешивания 23 постоянным или повышенным, чтобы воспрепятствовать выпадению вспенивателя 31 из полимерного расплава 2.

После выхода из шнекового экструдера 13 полимерный расплав 2 подается с помощью второго насоса для перекачки расплава 36 под давлением от 70 до 300 бар во второй статический охладитель расплава 37. Второй насос для перекачки расплава 36 высвобождает шнековый экструдер 13 от функции повышения давления, благодаря чему не происходит повышение температуры полимерного расплава 2. Благодаря воздействию второго охладителя расплава 36 возникающее из-за добавления вспенивателя 31 падение вязкости полимерного расплава 2 сглаживается. Далее может быть снижено повышение температуры из-за введения энергии завихренности в шнековом экструдере 13 в случаях, когда охлаждающие установки 29, 35 не могут предоставить достаточное охлаждение или же они вообще не предусмотрены. При выходе из второго охладителя расплава 37 полимерный расплав 2 имеет температуру менее 220°C, в частности менее 200°C, и, в частности, даже менее 170°C.

После выхода из второго охладителя расплава 37 полимерный расплав 2 подается с помощью третьего насоса для перекачивания расплава 38 в установку гранулирования 39 под давлением от 70 до 300 бар и гранулируется обычным способом; таким образом, из полимерного расплава 2 производится полимерный гранулят.

В зависимости от выбора полимерного расплава 2 и вспенивателя 31, а также способа гранулирования могут производиться как пригодные к экспандированию, так и экспандированные полимерные грануляты.

Для производства пригодных к экспандированию полимерных гранулятов предпочтительным является подводное гранулирование, в то время как для производства экспандированных полимерных гранулятов предпочтительным является водокольцевое гранулирование.

В дальнейших примерах исполнения изобретения полимерный расплав может поставляться следующим шнековым экструдером, так что полимеризационный реактор и насос для перекачки расплава становятся ненужными для приготовления полимерного расплава. Кроме того, могут отпасть устройства охлаждения в зонах смешивания, и возникающее при внесении энергии завихренности повышение температуры полимерного расплава полностью сглаживается во втором охладителе расплава.

Способ производства полимерного гранулята включает следующие шаги:

- приготовление полимерного расплава (2),

- первое охлаждение полимерного расплава (2) с помощью первого статического охладителя расплава (9),

- добавление по меньшей мере одной добавки (25) в охлажденный полимерный расплав (2),

- подмешивание по меньшей мере одной добавки (25) в полимерный расплав (2) с помощью шнекового экструдера (13),

- добавление по меньшей мере одного вспенивателя (31) в содержащий добавки полимерный расплав (2),

- подмешивание по меньшей мере одного вспенивателя (31) в полимерный расплав (2) с помощью шнекового экструдера (13),

- второе охлаждение содержащего добавки и вспениватель полимерного расплава (2) с помощью второго статического охладителя расплава (37),

- гранулирование охлажденного полимерного расплава (2), содержащего добавки и вспениватели. Устройство для производства полимерного гранулята содержит для простого и гибкого подмешивания добавок (25) и вспенивателей (31) первый и второй статический охладитель расплава (9, 37), причем первый охладитель расплава (9) установлен перед шнековым экструдером (13), а второй охладитель расплава (37) установлен после шнекового экструдера (13). Благодаря охлаждению приготовленного полимерного расплава (2) в первом охладителе расплава (9) обеспечивается особо бережная приработка добавок (25) в полимерном расплаве (2). Технический результат, достигаемый при использовании способа и устройства по изобретениям, заключается в том, чтобы обеспечить простое и качественное подмешивание добавок и вспенивателей в полимерный расплав при высокой производительности. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ производства полимерного гранулята, включающий следующие шаги:
- приготовление полимерного расплава (2),
- первое охлаждение полимерного расплава (2) с помощью первого статического охладителя расплава (9),
- добавление по меньшей мере одной добавки (25) в охлажденный полимерный расплав (2),
- подмешивание по меньшей мере одной добавки (25) в полимерный расплав (2) с помощью шнекового экструдера (13),
- добавление по меньшей мере одного вспенивателя (31) в содержащий добавки полимерный расплав (2),
- подмешивание по меньшей мере одного вспенивателя (31) в полимерный расплав (2) с помощью шнекового экструдера (13),
- второе охлаждение содержащего добавки и вспениватель полимерного расплава (2) с помощью второго статического охладителя расплава (37), и
- гранулирование охлажденного полимерного расплава (2), содержащего добавки и вспениватели.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что находящийся в шнековом экструдере (13) полимерный расплав (2) охлаждают.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после подмешивания по меньшей мере одной добавки (25) и перед добавлением по меньшей мере одного вспенивателя (31) с помощью шнекового экструдера (13) создают зону застоя (22) полимерного расплава (2).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление полимерного расплава (2) при добавлении по меньшей мере одного вспенивателя (31) во время подмешивания упомянутого вспенивателя (31) поддерживают по меньшей мере постоянным.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление полимерного расплава (2) после подмешивания по меньшей мере одного вспенивателя (31) повышают при помощи насоса для перекачивания расплава (36, 38).

6. Способ п.1, отличающийся тем, что полимерный расплав (2) приготавливают с помощью полимеризационного реактора (3).

7. Устройство для производства полимерного гранулята, содержащее первый статический охладитель расплава (9) для первого охлаждения полимерного расплава (2),
- присоединенный к статическому охладителю расплава (9), после него, шнековый экструдер (13), включающий
- первую зону смешивания (21) для подмешивания по меньшей мере одной добавки (25), и
- присоединенную к первой зоне смешивания (21), после нее, вторую зону смешивания (23) для подмешивания по меньшей мере одного вспенивателя (31),
- присоединенный к шнековому экструдеру (13), после него, второй статический охладитель расплава (37) для второго охлаждения содержащего добавки и вспениватели полимерного расплава (2), и
- установку (39) для гранулирования охлажденного полимерного расплава (2), содержащего добавки и вспениватели.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что содержит полимеризационный реактор (3) для приготовления полимерного расплава (2).

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что шнековый экструдер (13) снабжен по меньшей мере одним устройством охлаждения (29, 35).

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что шнековый экструдер (13) выполнен с возможностью создания зоны застоя (22) между первой и второй зонами смешивания (21, 23).

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что шнековый экструдер (13) выполнен как двухвалковый шнековый смеситель с одинаковым направлением вращения валков с плотным зацеплением.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что включает по меньшей мере один присоединенный к шнековому экструдеру (13), после него, насос для перекачивания расплава (36, 38).

13. Устройство по п.8, отличающееся тем, что между полимеризационным реактором (3) и первым статическим охладителем расплава (9) установлен насос для перекачивания расплава (6).