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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von trockenem Granulat
aus Kunststoffen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von trockenem
Granulat aus schmelzflüssigen, bzw. thermoplastischen Kunststoffen, die in Strängen
aus der Schmelze abgezogen werden, wobei die Stränge durch ein sie umspülendes Kühlmittel
gekühlt und anschließend zu Granulat geschnitten werden. Dabei ist das Abziehen
aus der Kunststoffschmelze und die erwähnte Kühlung sowie das Schneiden zu Granulat
im gekühlten Zustand aus der Offenlegungsschrift 1 542 405 bekannt. Bei dem bekannten
Verfahren entsteht beim Schneiden ein Gemisch aus Granulat und Kühlmittel, das anschließend
von dem Granulat getrennt wird, Das Granulat muß dann in einem getrennten Vorgang
durch Zufuhr von Wärme so weit wie erforderlich getrocknet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schneid- und den
Trocknungsvorgang
organisch in den Ablauf des Verfahrens einzubauen, um die Sorption zu verhindern
und dabei Energie für das Schneiden zu sparen und eine Wärmezufuhr für die Trocknung
so weit wie möglich zu vermeiden. Gelöst wird das Problem dadurch, daß die Stränge
in einer Strang kühlzone nur bis zur Verfestigung ihrer Oberfläche gekühlt und in
diesem Zustand geschnitten werden, woraufhin in einer folgenden Granulatkühlzone
dem Granulat durch ein Kühlmittel so viel wärme entzogen wird0 daß die verbleibende
Restwärme zur späteren Selbsttrocknung desselben ausreicht und daa anschließend
das Granulat vom Kühlmittel schnell getrennt wird.
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Durch das Schneiden der Stränge in einem Zustand, in dem diese lediglich
an ihrer Oberfläche verfestigt sind, muß beim Schneiden im wesentlichen nur die
für das Durchtrennen der Oberflächenschicht erforderliche Energie aufgewendet werden.
Im Inneren der Stränge finden dann die Schneidwerkzeuge infolge des hier noch weichen
Materials einen nur geringen Widerstand vor, Hierdurch wird auch die Standzeit der
Schneidwerkzeuge erhöht. Andererseits wird durch die Verfestigung der Oberfläche
erreicht, daß die Stränge mit irgendwelchen Konstruktionselementen. wie beispielsweise
Widerlagern für das Schneiden in Berührung kommen können0 ohne hinsichtlich ihres
Querschnittes deformiert zu werden0 Durch den dosierten Entzug von Wärme aus dem
Granulat ist es dann möglich, die verbleibende Restwärme für die Selbsttrocknung
auszunutzen.
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so daß also weitgehend oder vollstandig auf die Wärmezufuhr von außen
zur Trocknung verzichtet werden kann, Diese zur Trocknung ausgenutzte3 dem Granulat
lnnewinende Wärme wirkt sich darum be sonders günstig aus, weil ein solche Granulat
in der Regel eine schlechte WMrmeleitfähigkeit besitzt, so daß es viel schwieriger
ist, eine zur Trocknung benötigte Wärme von außen zuzuführen Infolgedessen ergibt
sich bei dem Verfahren auch eine besonders kurze Strecke für die Trocknung. Hierzu
kann eine Trocknungsvorrichtung dienen 2 die zweckmäßig nach der Trennung von Kühlmittel
und Granulat vorzusehen ist, Da häufig das derart selbstgetrocknete Granulat für
die weitere
Verarbeitung bzw. lagerung noch eine zu hohe Temperatur
besitzt, kann man dieses zweckmäßig durch eine Trockenkühlvorrichtung leiten, in
der daB Granulat zur gewünschten Endtemperatur abgekühlt wird, Weiterhin ist es
möglich, verbliebene Spuren von Feuchtigkeit dadurch zu beseitigen, daß das Granulat
schließlich noch während und / oder nach dem Trocknungsprozeß durch eine Vakuum-oder
Unterdruckzone innerhalb der Trockenkühlung geleigt wird, in der diese Spuren durch
Ab saugen dem Granulat entzogen werden.
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Um die in der Granulatkühlzone zur Einwirkung gelangende Kühlung möglichst
intensiv wirksam werden zu lassen, ist es besonders vorteilhaft, im Bereich der
Granulatkühlzone mindestens eine Unterbrechung der Kühlung stattfinden zu lassen,
während der sich die Oberflächentemperatur der einzelnen körner weitgehend der Innentemperatur
annähert. Durch eine solche Unterbrechung erreicht man, daß sich an der Oberfläche
des Granulates wieder eine relativ hohe Temperatur einstellt, so daß die Kühlung
ihre volle Wirksamkeit entfalten kann. Dies gilt tor allem für aus besonders dicken
Strängen geschnittenem Granulat0 da bei diesem sich zwischen Außenhaut und innerem
eine besonders hohe Temperaturdifferenz einstellen kann. Da nun die Trocknung des
Granulats in der Trocknungsvorrich tung um so schneller vor sich geht, je höher
die Temperatur an der Oberfläche des Granulates Ist, andererseits aber eine zu hohe
Temperatur an der Oberfläche des Granulates wegen dessen möglicher Erweichung und
Verklebung gefährlich ist, stellt man die Unter bechungsdauer zweckmäßig wahlweise
so ein, daß während der Unter brechung ein möglichst hohes Temperaturniveau an der
Oberfläche erreicht wird das jedoch noch unterhalb der vorstehend geschilderten
Gefahrengrenze liegt. Bei bestimmten Kunststoffen ist zusAtzlich noch die bei besonders
hohen Temperaturen auftretende Oxydationsgefahr zu berücksichtigen. Wenn nun durch
diese wahl weise Einstellung der Unterbrechungsdauer das Temperaturniveau des Granulates
gemäß den vorstehenden Gesichtspunkten gewählt wird0 ergibt sich eine relativ schnelle
Trocknung bei ebenfalls intensiver schneller Kühlung, so daß der Durchlauf durch
die fol gende Trockenkühlvorrichtung entsprechend kurz gehalten werden kann,
Da
nun bestimmte Kunststoffe in der Lage sind, gewisse FlUssigketten in sich aufzunehmen,
z.B. also hygroskopiach wirken, hält man bei Verwendung von flüssigem Xiihlmittel
die Oberflächentemperatur des Werkstoffes zweckmäßig oberhalb des Siedepunktes des
Kühlmittels. Dies gilt sowohl für die Strangkühlzone als auch die Granulatkühlzone.
Das kühlmittel kann nicht nur aus einer Flüssigkeit sondern auch aus Gas oder einem
Gemisch von Flüssigkeit und Gas (lldxl) bestehen.
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Weitere Einzelheiten ergäben sich aus den Unteransprüchen.
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Anhand der Figuren sei ein Ausführungbeispiel erläutert.
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15 zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitet8 Figo 2 eine Ktfltleinrichtung im Bereich der Granulatkühlzone,
Fig. 3 ein Temperaturdiagramm für den die Vorrichtung gemäß Fig. 1 durchlaufenden
Werkstoff, Fig. 4 eine in ihrer Lange variable Vorrichtung, welche die Strangkühlzone
umfaßt.
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Gemäß Fig 1 besitzt die hier dargestellte Anlage einen Autoclaven
A, in dem sich flüssiger Kunststoff befindet, Anstelle des Autoclaven kann auch
ein kontinuierlich arbeitendes Polymerisationsrohr oder ein Extruder treten. An
den Autoclaven A ist das Hauptventil H angeschlossen, das zu dem Verteiler V führt.
Der Verteiler leitet die Sehmelr ze zu einzelnen Düsen, die einzeln oder gemeinsam
abgesperrt wrden können. Von den Düsen gelangt dann die Schmelze zu einem soe genannten
Abzugsgerlt E, innerhalb dessen die aus den Düsen aus tretenden Kunststoffstränge
von eine Kühlmedium aufgenommen werden. Dies kann mittels Injektoren geschehen,
wie diese in Form von Ringdüsen in der DOS 1 542 405 dargestellt sind. Unterhalb
der
Injektioren des Abzugsgerätes E treten aus diesem Rohre R aus die die von den Injektioren
gelieferten Kunststoffdtränge und das diese umspülende Kühlmittel nach unten wertet
leiten, Abzugsgerät E und Rohre R bilden dabei eine Strangkühlzone s.
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Unterhalb der Rohre R befindet sich eine bekannte Schneidvorrichtung
X mit rotierenden Messern. die die zugeführten Stränge zu Granulat zerschneiden0
Das so erzeugte Granulat wird von dem Strom des Xühlmittels weitergeleitet und gelangt
in eine Granulatkühlzone G die in verschiedene Teile eingeteilt ist, auf die weiter
unten näher eingegangen wird, An die Granulatkühlzone G schließt sich dann ein Abscheider
B an, der beispielsweise durch Zentrifugenwirkung das Kühlmittel von dem Granulat
trennt, Letzteres gelangt dann in eine Trocknungsvorrichtung Tr. an die eine Trockenkühlvorrichtung
Tk angeschlossen ist. Die Trockenkühlvorrichtung Tk ist nur dann erforderlich, wenn
als Ergebnis des Prozesses ein Granulat einer bestimmten niedrigen Temperatur gewünscht
wird.
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In der Strangkühlzone S wird nun infolge einer bestimmten Temperatur
des Kühlmittels und einer entsprechenden Länge dieser Zone sowie unter Berücksichtigung
der Durchlaufgeschwindigkeit der Stränge diesen so viel Warme entzogen, daß sie
sich nur bis zur Verfestigung ihrer Oberfläche abkühlen0 Die Stränge werden also
in einem Zustand geschnitten0 bei dem die Messer der Schneidvor= richtung M nur
relativ wenig Widerstand zu überwinden haben.
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nämlich an der Oberfläche der Stränge während deren Inneres sich noch
weitgehend im weichen Zustand befindet Durch diesen frühzeitigen Einsatz des Schneidgertes
kann die Strangkühlzone S besonders kurz gehalten werden, so daß für ein Eindringen
von Kühlmittel in die Stränge infolge Diffusion oder Sorbtion nur eine minimale
Zeit zur Verfügung steht Infolgedessen nehmen die Stränge tatsächlich auch praktisch
kein Kühlmittel aufo Das von dem Schneid gerät M gelieferte Granulat besitzt nun
noch eine erhebliche Wärme menge, die sinnvoll für den Trocknungsprozea des Granulates
ausgenutzt wird. Dem Granulat wird nun in der an d@@ Schneidgerät an schließenden
Granulatkühlzone G durch ein Kühlmittel soviel Wärme entzogen, daß die verbleibende
Restwärme zur Selbattrocknung in
der Trocknungsvorrichtung Tr ausreicht.
Auf diese Weise wird eine sonst notwendige Energiezufuhr für die Trocknung eingespart.
Das in dem Abscheider B vom Kühlmittel getrennte Granulat gelangt nämlich mit der
erforderlichen Restwärme in die Trocknungseinrichtung Tr, wo die TroCknung aufgrund
dieser Restwärme stattfindet; so daß das Granulat die Trocknungsvorrichtung Tr trocken
verläßt.
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Wie bereits oben erwXhnt, ist die Granulatkühlzone G in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in mehrere Abschnitte unterteilt.
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In die Granulatkühlzone G sind nämlich zwei Unterbrechungsabschnitte
Ua und Ub eingeschaltet. in denen keine Ktihlung des durchlaufenden Granulates stattfindet
so daß sich in diesen Unterbrechungsabschnitten Ua und Ub die jeweilige Oberflächentemperatur
der einzelnen Körner weitgehend der Innentemperatur annähert. Hierdurch wird erreicht,
daß der jeweils folgende Kühlabschnitt ab bzw. Gc seine intensive Wirkung entfalten
kann, die bei einem Granulat mit nur geringer Oberflächentemperatur infolge der
schlechten Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen sonstwosentlich vermindert sein würde.
Auf diese Weise können die kühlenden Bereiche der Granulatktihlzone nämlich Gaa
ab und Gc entsprechend kurz gehalten werden. Es sei in diesem Zusamionhang darauf
hingewiesen, daß natürlich auch mehr oder weniger Unterbrechungsabschnitte in die
Granulatkühl:one G eingefügt werden können. Dies hängt von der Temperatur des betreffenden
Granulates sowie dessen Wärmeleitfähigkeit ab. Des weiteren spielt der Durchmesser
des Granulates eine Wolle. Je dünner das Granulat ist. desto weniger kommt es auf
eine derartige Unterbrechung an. Insbesondere ist es möglich, bei besonder dünnem
Granulat ganz auf eine Unterbrechung zu verzichten Dies hängt jedoch0 wie gesagt.
auch von der Wärmeleitfähigkeit des betreffenden Kunststoffes ab.
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Am einfachsten wird der Transport des Granulates durch die Granulatkühlzone
o mittels des Kühlmittels selbst durchgeführt, als das das in der Strangkühlzone
S verwendete Kühlmittel verwendet werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise
um Wasser handeln.
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In diesem Fall würde der Wasserstrom das Granulat durch die Abschnitte
Gao
Gb und Gc hindurchswemmen, wobei es gleichzeitig seine Kühlwirkung entfalten würde.
Damit nun in den Unterbrechungs° abschnitten Ua und Ub die Kühlung unterbrochen
werden kanne wird hier das Granulat vom Kühlmittel getrennt transportiert, beispielsweise
Ober Siebtrommeln Siebbänder oder dergleichen.
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Anstelle von Wasser als Kühlmittel kann auch ein Gas, z.B. Stickstoff
oder ein Flüssigkeit-Gas-Gemisch nach Art: eines Nebels verwendet werden. Das Kühlmittel
hängt von der erforderlichen Kühlwirkung und der chemischen Beschaffenheit des au
granulierenden Kunststoffes ab, auf dessen Bmpfindlichkeit gegenüber bestimmten
Kühlmitteln gegebenenfalls Rücksicht genommen werden muß.
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In der Fig. 2 ist dargestellt, wie beispielsweise ein Kühlabschnitt
der Granulatkühlzone G G ausgebildet sein kann, Es handelt sich hier um den Abschnitt
Ga. Dieser enthält eine Rohrschlange mit einem Flansch Fl an ihrem Eingang (sich
auch Fig. 1), in den von der Schneidvorrichtung M das Granulat mit dem Kühlmittel
zugeleitet wird. Das Kühlmittel schwemmt das Granulat durch die Rohrschlange, bis
dieses am Ausgang 5 austritt, wo es dann der folgenden Unterbrechungsstufe Ua zugeführt
wird. Die Rohrschlange ist von einem weiteren Kühlmedium, beispielsweise Wasser,
umgebein; um dem durch die Rohrschlange strömenden Kühlmittel die gewünscht Temperatur
zu geben. Damit nun in der betreffenden Stufe wahlweise ein bestin-ter Wärmeentzug
eingestellt werden kann, be sitzt die Stufe Ga außer dem Einfang 1 noch weitere
Eingänge 20 3 und 4, die zu Anzapfungen an der Rohrschlange führen, Auf diese Weise
ist es möglich. die Verweilzeit des Granulates in der Stufe Ga entsprechend einzustellen
und damit den gewünschten Wärmeentzug zu regeln, nämlich durch wahlweisen Anschluß
an einen dieser Eingänge.
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Die Fig.3 zeigt ein Diagramm, das die Temperaturverhältnisse beim
Druchlauf des werkstoffes durch eine Anlage gemäß Fig, 1 beispielsweise veranschaulicht0
Die eingezeichneten Kurven geben dabei die jeweilige Temperatur des Werkstoffs an,
wobei mit ti die Kerntemperatur, mit tm die Durchschnittstemperatur und mit
ta
die Oberflächentemperatur bezeichnet ist. Der Prozeß beginnt mit dem Eintritt der
noch flüssigen Xunststoffstränge in das Abzugsgerät E, wobei die Stränge eine Temperatur
von 300° C haben, während des Hindurchleitens der Stränge durch die Strangkühlzone
5 zahlt sich das Material an der Oberfläche stark ab, und zwar bis auf eine Temperatur
von etwa 150°, wogegen die Kerntemperatur nur bis etwa 280° abfällt. Die Stränge
haben sich dabei an ihrer Oberfläche verfestig/und werden in diesem Zustand von
dem Schneid gerät M geschnitten. Es schließt sich dann die Granulatkühlzone G an,
innerhalb deren zunichst im Kühlabschnitt Ga eine weitere Kühlung stattfindet, bei
der die jeweiligen Temperaturen, wie ersichtlich0 weiter absinken. Hierbei wird
die Differenz zwischen Außentemperatur ta und Kerntemperatur ti noch größer, so
daß wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff die Kühlintensität entsprechend
abnimmt. In der anschließenden Unterbrechungsstufe Ua wird dann dem Granulat ohne
weitere Kühlung seit gegeben0 in sich einen Temperaturausgleich vorzunehmen, wobei
je nach Dauer der Unterbrechung die Oberflächentemperatur sich der Kerntemperatur
annähert, während die Durchachnittetemperatur tm praktisch konstand bleibt. Hierbei
steigt die Oberflächentemperatur ta wieder beträchtlich an, so daß in der folgenden
Kühlstufe Ob sich die Kühlung wieder intensiv auswirken kann. In der folgenden Unterbrechungestufe
Ub findet dann nochmals ein innerer Temperaturausgleich statt, bei dem wiederum
die Außentemperatur ta ansteigt, woraufhin in der letzten Kühlstufe Gc zunächst
die letzte KUblung stattfindet0 Am Ende dieser Stufe haben sich dann Kerntemperatur
ti und Oberflächentemperatur ta weitgehend angenähert.
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In diese Zustand des Granulates erfolgt die Abscheidung des Kühlmitteis
in dem Abscheider So an den. sich die Trocknungevorrichtung Tr anschließt. An dieser
Stelle besitzt nun das Granulat noch eine Restwärme<, die für die Selbsttrocknung
in dieser Stufe ausreicht. Dabei nähern sich Kerntemperatur ti und Oberflächentemperatur
ta weiter einander an. Das Granulat verläßt dann die Trocknungsvorrichtung getrocknet.
allerdings auf einem relativ hohen Temperaturniveau, das hier noch eine Trockenkühlung
erforderlich macht die in der anschließenden Trockenkühlvorrichtung Tk stattfindet,
in der das Granulat auf die gewünschte Endtemperatur
abgekühlt
wird. Hierbei kann es sich beispielsweise weis eine Kühltrommel oder eine Kühlschnecke
handeln.
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Bei dem dem Diagramm zugrundeliegenden Verwendungsbeispiel ist vorgesehen*
daß die Oberflächentemperatur ta bis zum Abschluß der Trocknung in der Trocknungsvorrichtung
Tr niemals unter 1000C absinkt. Hierbei wird.dlavon ausgegangen, daß als Kühlmittel
Wasser verwendet wird. Diese Maßnahme erbringt den Vorteil, daß das Kühlmittel,
wenn es mit dem Werkstoff in Berührung kommt, sofort siedet, was einer Diffusion
bzw. Sorbtion von Wasser in den Werkstoff entgegenwirkt.
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Durch die wahlweise Einstellung von Verweilzeit in den einzelnen Abschnitten
der Granulatkühlzone G, nämlich Ga, Gb und Gc sowie in den Unterbrechungsstufen
Ua, Ub läßt sich jeweils in gewünschter Weise ein bestimmtes Temperaturniveau des
Granulates einstellen, was für verschiedene zwecke von Bedeugtung sein kann.
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Der Verfahrenstechniker hat es damit in der Hand, das erfindungsgemäße
Verfahern an verschiedene Betriebs- und Materialsverhältnisse anzupassen. insbesondere
kann er durch Einstellung der Unterbrechungsdauer ein bestimmtes Temperaturniveau
in der Trocken-Vorrichtung Tr einstellen.
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Fig. 4 zeigt den Teil der erfindungsgemäßen Anlage, der sich in wesentlichen
auf die Strangkühlzone 8 bezieht. Gezeigt ist das Abzugqerät 8 mit den Injektoren
lof und die Schneidvorrichtung n, die auf eina Gehäuse limit dz Antriebsmotor 12
sitzt. Injektoren 10 und Schneidvorrichtung M sind über ineinander teleskopartig
einschiebbare Rohre 13 und 14 miteinander verbunden.
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Das Gehäuse 11 hängt an drei Zylindern 15, 16 und 17, die sich über
Stößel gegen die hydraulische Einrichtung 19/20 abstützen.
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Durch Zufuhr von Druckflüssigkeit in den Druckraum 21 wird der Kolben
19 hochgedrückt und nimmt damit den Zylinder 15 mit. Auf diese Weise läßt sich das
Gehäuse 11 zusammen mit der Schneidvorrichtung at nach ob verschieben. Bine Höhenlage
dieser An-Ordnung ist in der Fig. 4 gestrichelt dargestellt. Bei dieser Verschiebung
nach oben schieben sich die Rohre 13 und 14 teleskopartig
ineinander,
wodurch im Effekt die Strangkühlzone S verkürzt wird. Auf diese Weise läßt sich
die Strangkühlzone S auf die jeweils gewünschte Länge einstellen.
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Gemäß Figur 1 bildet die eigentliche Granuliervorrichtung, d.i.
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die Zusammenfassung von Verteiler V, Xbzugsvorrichtung E, Strangkühlzone
S und Schneidvorrichtung M eine Einheit. Die Anzahl der Stränge und Messer in einer
solchen Einheit kann hier nicht beliebig vergrößert werden. Für eine Großanlage,
insbesondere eine solche für kontinuierlichen Betrieb zehn-, hundert- und mehrfacher
Einzelleistung, müssen daher entsprechend viele Granuliervorrichtungen vorgesehen
werden. Außerdem muß neben der Reservehaltung auch noch die Auswechselbarkeit aller
Teile während des kontinuierlich bleibenden Betriebes gewährleistet sein. Das kann
in der Praxis dadurch geschehen, daß aus einer Mehrzahl von Autoclaven, Extrudern
usw. die Schmelzflüsse in ein Sammel- oder Mischgefäß geleitet werden, von welchem
aus unmittelbar oder über Verzweigungen die Mehrzahl von Granuliervorrichtungen
gespeist wird. Das aus diesen Einzelgranuliervorrichtungen unter genau gleichen
Betriebsbedingungen gelieferte Granulat kann zur Weiterbehandlung (Kühlung, Abscheidung
und Trocknung) in gemeinsame, wesentlich leistungsstärkere Kühl-, Abscheide- und
Trockeneinrichtungen geleitet werden, bei denen für jede Vorrichtungstype sofort
einschaltbare Reserven vorgesehen sind. Hierdurch wird ermöglicht, daß bei Ausfall
einer Vorrichtung sofort ohne Störung des Betriebes auf eine betriebsbereite Reserve
umgeschaltet werden kann. Auf diese Weise läßt sich mit Sicherheit ein kontinuierlicher
Betrieb ermöglichen.