Zugl.: Paderborn, Universiẗat, Diss., 2000. / Zugl.: Paderborn, Univ., Diss., 2000.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Verweilzeitverteilungen werden zur Charakterisierung verfahrenstechnischer und speziell reaktionstechnischer Prozesse herangezogen. In dispersen Systemen existiert für jede Phase eine Verweilzeitverteilung, die sich stark voneinander unterscheiden können. Verweilzeitverteilungen werden häufig auf der Basis des Dispersionsmodells oder mittels einer Rührkesselkaskade beschrieben, wobei die Anpassung nicht immer gut ist. Deshalb werden zunächst halbempirische Gleichungen vorgestellt, die mittels charakteristischen Parametern (mittlere, minimale, maximale Verweilzeit; Exponent) eine flexible Nachbildung erlauben. Die Brauchbarkeit dieser Gleichungen wird für fluide und disperse Phase anhand der Nachrechnung veröffentlichter Verweilzeitverteilungskurven in unterschiedlichen Apparaten nachgewiesen, wobei auch ein Vergleich mit den Ergebnissen anderer Modelle erfolgt. Unter der Annahme einer stationären Sinkgeschwindigkeit gelingt für stark vereinfachte Fälle die Ableitung analytischer Ausdrücke für die Verweilzeitverteilung der dispersen Phase. Realere Fälle werden mit dem stochastischen Modell ZEMP (Zellenmodell mit Platzerwechselwahrscheinlichkeit), das um die Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit der Partikeln erweitert wurde, erfasst. Dadurch wird es möglich, den Einfluss des Dispersionskoeffizienten, der Zugabeart, des Geschwindigkeitsprofils und des Vorliegens von Eigenschaftsverteilungen auf die Verweilzeitverteilung separat auszuweisen. Für das sich entwickelnde Geschwindigkeitsprofil des laminar durchströmten Rohrs und Kanals werden Gleichungen aufgestellt, in die die Werte von Literaturen eingingen. Damit wird der Einfluss der Einlaufstrecke auf die sich ausbildende Verweilzeitverteilung ermittelt.

Gegenstand der Arbeit ist die Erarbeitung und Umsetzung eines reaktiven Aufbereitungsverfahrens im Doppelschneckenextruder zur kontinuierlichen Herstellung von gummimehlbasierten Elastomerlegierungen mit Polypropylenmatrix. Es wird eine Übersicht über den technischen Stand der Polymeraufbereitung in Doppelschneckenmaschinen sowie den Einsatz von Gummimehlen als funktionellem Füllstoff in Thermoplastmatrices gegeben, wobei neben verfahrenstechnischen Aspekten besonders auf die Möglichkeiten der Phasenkompatibilisierung in gummimehlhaltigen Polyolefincompounds zur Herstellung Thermoplastischer Elastomere eingegangen wird. Den Ausgangspunkt für die Verfahrensentwicklung bildet ein reaktiver Schmelzemischprozess in einem Innenmischer, auf dessen Basis die Auswahl der Rezepturkomponenten erfolgte. Gestützt auf eine Modellrezeptur erfolgte in diskontinuierlichen Voruntersuchungen im Labormesskneter eine Anpassung des Werkstoffsystems sowie die experimentelle Verifizierung möglicher Verfahrenskonzepte für die kontinuierliche reaktive Aufbereitung im Doppelschneckenextruder. Für die ausgewählten Verfahrenskonzepte wurden konkrete Extruderaufbauten konzipiert, deren stoff- und prozessgrößenabhängiges Betriebsverhalten auf Basis eines analytischen Prozessmodells abgeschätzt wurde. Nach vergleichenden experimentellen Untersuchungen der kontinuierlichen Verfahrensaufbauten, die auch Verweilzeitmessungen und Rezepturanpassungen einschlossen, wurde eine praxistaugliche Extruderkonfiguration ausgewählt und der Einfluss der technologischen Prozessgrößen auf die Werkstoffeigenschaften der Elastomerlegierungen untersucht. Mit optimierten Prozessparametern erfolgte die kontinuierliche reaktive Aufbereitung von Elastomerlegierungen mit variablen Gummimehlgehalten, deren Werkstoffverhalten umfassend charakterisiert wird / The present thesis deals with the development and implementation of a reactive compounding procedure in a co-rotating twin-screw extruder for the continuous preparation of ground rubber based Elastomeric Alloys with a polypropylene matrix. An overview about the state of the art of polymer compounding in twin-screw devices as well as of the utilisation of rubber powders as functional fillers in thermoplastic matrices is given. Beside process related aspects especially the methods of phase compatibilisation in ground rubber containing polyolefinic compounds for the preparation of Thermoplastic Elastomers are addressed. A reactive melt-mixing procedure in an internal mixer served as the base for the development of the continuous process as well as for the materials and formulations used. Preliminary experiments with a model formulation were carried out in a laboratory batch kneader to adapt the material system onto the requirements of the continuous process as well as to verify and select promising process concepts for the continuous reactive compounding in the twin-screw extruder. The selected concepts were transformed into extruder configurations followed by a simulation of their operating characteristics based on an analytical process model. The performance of the extruder configurations was verified by experiments that included also residence time investigations and further adaption of the formulation. The most suitable extruder setup was chosen for the investigation of the influence of the technological process parameters on the material properties of the Elastomeric Alloy model formulation. Using optimised technological parameters a familiy of Elastomeric Alloys with variable rubber powder content was prepared by continuous reactive compounding in the twin-screw extruder and followed by a comprehensive characterisation of their material performance and properties.

Gegenstand der Arbeit ist die Erarbeitung und Umsetzung eines reaktiven Aufbereitungsverfahrens im Doppelschneckenextruder zur kontinuierlichen Herstellung von gummimehlbasierten Elastomerlegierungen mit Polypropylenmatrix. Es wird eine Übersicht über den technischen Stand der Polymeraufbereitung in Doppelschneckenmaschinen sowie den Einsatz von Gummimehlen als funktionellem Füllstoff in Thermoplastmatrices gegeben, wobei neben verfahrenstechnischen Aspekten besonders auf die Möglichkeiten der Phasenkompatibilisierung in gummimehlhaltigen Polyolefincompounds zur Herstellung Thermoplastischer Elastomere eingegangen wird. Den Ausgangspunkt für die Verfahrensentwicklung bildet ein reaktiver Schmelzemischprozess in einem Innenmischer, auf dessen Basis die Auswahl der Rezepturkomponenten erfolgte. Gestützt auf eine Modellrezeptur erfolgte in diskontinuierlichen Voruntersuchungen im Labormesskneter eine Anpassung des Werkstoffsystems sowie die experimentelle Verifizierung möglicher Verfahrenskonzepte für die kontinuierliche reaktive Aufbereitung im Doppelschneckenextruder. Für die ausgewählten Verfahrenskonzepte wurden konkrete Extruderaufbauten konzipiert, deren stoff- und prozessgrößenabhängiges Betriebsverhalten auf Basis eines analytischen Prozessmodells abgeschätzt wurde. Nach vergleichenden experimentellen Untersuchungen der kontinuierlichen Verfahrensaufbauten, die auch Verweilzeitmessungen und Rezepturanpassungen einschlossen, wurde eine praxistaugliche Extruderkonfiguration ausgewählt und der Einfluss der technologischen Prozessgrößen auf die Werkstoffeigenschaften der Elastomerlegierungen untersucht. Mit optimierten Prozessparametern erfolgte die kontinuierliche reaktive Aufbereitung von Elastomerlegierungen mit variablen Gummimehlgehalten, deren Werkstoffverhalten umfassend charakterisiert wird / The present thesis deals with the development and implementation of a reactive compounding procedure in a co-rotating twin-screw extruder for the continuous preparation of ground rubber based Elastomeric Alloys with a polypropylene matrix. An overview about the state of the art of polymer compounding in twin-screw devices as well as of the utilisation of rubber powders as functional fillers in thermoplastic matrices is given. Beside process related aspects especially the methods of phase compatibilisation in ground rubber containing polyolefinic compounds for the preparation of Thermoplastic Elastomers are addressed. A reactive melt-mixing procedure in an internal mixer served as the base for the development of the continuous process as well as for the materials and formulations used. Preliminary experiments with a model formulation were carried out in a laboratory batch kneader to adapt the material system onto the requirements of the continuous process as well as to verify and select promising process concepts for the continuous reactive compounding in the twin-screw extruder. The selected concepts were transformed into extruder configurations followed by a simulation of their operating characteristics based on an analytical process model. The performance of the extruder configurations was verified by experiments that included also residence time investigations and further adaption of the formulation. The most suitable extruder setup was chosen for the investigation of the influence of the technological process parameters on the material properties of the Elastomeric Alloy model formulation. Using optimised technological parameters a familiy of Elastomeric Alloys with variable rubber powder content was prepared by continuous reactive compounding in the twin-screw extruder and followed by a comprehensive characterisation of their material performance and properties.

Verweilzeitverteilungen werden zur Charakterisierung verfahrenstechnischer und speziell reaktionstechnischer Prozesse herangezogen. In dispersen Systemen existiert für jede Phase eine Verweilzeitverteilung, die sich stark voneinander unterscheiden können. Verweilzeitverteilungen werden häufig auf der Basis des Dispersionsmodells oder mittels einer Rührkesselkaskade beschrieben, wobei die Anpassung nicht immer gut ist. Deshalb werden zunächst halbempirische Gleichungen vorgestellt, die mittels charakteristischen Parametern (mittlere, minimale, maximale Verweilzeit; Exponent) eine flexible Nachbildung erlauben. Die Brauchbarkeit dieser Gleichungen wird für fluide und disperse Phase anhand der Nachrechnung veröffentlichter Verweilzeitverteilungskurven in unterschiedlichen Apparaten nachgewiesen, wobei auch ein Vergleich mit den Ergebnissen anderer Modelle erfolgt. Unter der Annahme einer stationären Sinkgeschwindigkeit gelingt für stark vereinfachte Fälle die Ableitung analytischer Ausdrücke für die Verweilzeitverteilung der dispersen Phase. Realere Fälle werden mit dem stochastischen Modell ZEMP (Zellenmodell mit Platzerwechselwahrscheinlichkeit), das um die Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit der Partikeln erweitert wurde, erfasst. Dadurch wird es möglich, den Einfluss des Dispersionskoeffizienten, der Zugabeart, des Geschwindigkeitsprofils und des Vorliegens von Eigenschaftsverteilungen auf die Verweilzeitverteilung separat auszuweisen. Für das sich entwickelnde Geschwindigkeitsprofil des laminar durchströmten Rohrs und Kanals werden Gleichungen aufgestellt, in die die Werte von Literaturen eingingen. Damit wird der Einfluss der Einlaufstrecke auf die sich ausbildende Verweilzeitverteilung ermittelt.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, in Hinsicht auf Folgereaktion das Verhalten der auf der Basis der mathematischen Bilanzgleichungen abgeleiteten Modelle der verschiedenen Reaktortypen systematisch zu untersuchen. Dabei können die bei betrachteten Reaktoren zu berücksichtigenden Einflussgrößen folgendermaßen charakterisiert werden: Bezüglich der thermischen Betrachtungsweise im Rohrreaktor werden die isotherme, adiabate und polytrope Reaktionsführung vorausgesetzt. Bei der Betrachtung des Geschwindigkeitsfelds im Strömungsreaktor werden laminare Strömung und Pfropfenströmung ausgewählt. Zur Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante kommt neben dem Arrhenius-Ansatz auch ein von Temperatur linear abhängiger Geschwindigkeitskonstantenansatz zur Anwendung. Variiert werden Reaktionssystem, Geometrie und Betriebsbedingungen. Da hinsichtlich einer Folgereaktion in der Literatur bereits Modelle für die nichtisothermen Rohrreaktoren, die meist numerischen zu lösen sind, existieren, sollte vor allem die Frage geklärt werden, ob mit neuen analytischen Modellen weitere sinnvolle Zugänge möglich sind. Um die Güte mathematischer Modelle hinsichtlich der Wiedergabe experimenteller Werte beurteilen zu können, soll zunächst eine diesbezügliche Validierung mitbetrachtet werden. Außerdem lassen sich so auch die verwendeten numerischen Methoden basierend auf dem kommerziellen Berechnungsprogramm MATLAB testen. Danach werden die besprochenen Modelle unter Berücksichtigung der oben vorgegeben Prozessvariablen ausgewertet, wobei es sich im Wesentlichen um die optimale Reaktorlänge und die maximal erzielbare Konzentration der Reaktionskomponente B beim Ablauf einer Folgereaktion in einem Strömungsreaktor handelt. Anschließend werden die Relationen zwischen den auf idealen Betriebszuständen basierenden einfachen Modellen und den für realen Reaktortypen abgeleiteten komplizierten Modellen ermittelt. Da es oft schwierig ist, sich an ideale Betriebsbedingungen in der Technik anzunähern, dienen die in dieser Arbeit basierend auf sowohl analytischen als auch numerischen Lösungen untersuchten realeren Prozesse dazu, die Auslegung eines chemischen Reaktors zu unterstützen. Dabei sind die wichtigen Betriebsparameter zu identifizieren und das Betriebsregime zu optimieren.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, in Hinsicht auf Folgereaktion das Verhalten der auf der Basis der mathematischen Bilanzgleichungen abgeleiteten Modelle der verschiedenen Reaktortypen systematisch zu untersuchen. Dabei können die bei betrachteten Reaktoren zu berücksichtigenden Einflussgrößen folgendermaßen charakterisiert werden: Bezüglich der thermischen Betrachtungsweise im Rohrreaktor werden die isotherme, adiabate und polytrope Reaktionsführung vorausgesetzt. Bei der Betrachtung des Geschwindigkeitsfelds im Strömungsreaktor werden laminare Strömung und Pfropfenströmung ausgewählt. Zur Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante kommt neben dem Arrhenius-Ansatz auch ein von Temperatur linear abhängiger Geschwindigkeitskonstantenansatz zur Anwendung. Variiert werden Reaktionssystem, Geometrie und Betriebsbedingungen. Da hinsichtlich einer Folgereaktion in der Literatur bereits Modelle für die nichtisothermen Rohrreaktoren, die meist numerischen zu lösen sind, existieren, sollte vor allem die Frage geklärt werden, ob mit neuen analytischen Modellen weitere sinnvolle Zugänge möglich sind. Um die Güte mathematischer Modelle hinsichtlich der Wiedergabe experimenteller Werte beurteilen zu können, soll zunächst eine diesbezügliche Validierung mitbetrachtet werden. Außerdem lassen sich so auch die verwendeten numerischen Methoden basierend auf dem kommerziellen Berechnungsprogramm MATLAB testen. Danach werden die besprochenen Modelle unter Berücksichtigung der oben vorgegeben Prozessvariablen ausgewertet, wobei es sich im Wesentlichen um die optimale Reaktorlänge und die maximal erzielbare Konzentration der Reaktionskomponente B beim Ablauf einer Folgereaktion in einem Strömungsreaktor handelt. Anschließend werden die Relationen zwischen den auf idealen Betriebszuständen basierenden einfachen Modellen und den für realen Reaktortypen abgeleiteten komplizierten Modellen ermittelt. Da es oft schwierig ist, sich an ideale Betriebsbedingungen in der Technik anzunähern, dienen die in dieser Arbeit basierend auf sowohl analytischen als auch numerischen Lösungen untersuchten realeren Prozesse dazu, die Auslegung eines chemischen Reaktors zu unterstützen. Dabei sind die wichtigen Betriebsparameter zu identifizieren und das Betriebsregime zu optimieren.