DE10013948A1 - Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren - Google Patents

Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren, insbesondere von thermoplastischen Polyolefinen, wird das in dem Polymerisationsreaktor hergestellte Polymerpulver in einem Extruder aufgeschmolzen und homogenisiert, dann durch eine Extrusionsdüse gepresst und danach abgekühlt und zerkleinert. Nach der Erfindung wird das Polymerpulver vor der Zugabe zu dem Extruder einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch die Zugabe des Poylmerpulvers zu dem Extruder so bei erhöhter Pulvertemperatur erfolgt. Die Erfindung eignet sich besonders zur Granulierung von Polyethylen oder Polypropylen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren, insbesondere von thermoplastischen Polyolefinen, bei dem das in dem Polymerisationsreaktor hergestellte Polymerpulver in einem Extruder aufgeschmolzen und homogenisiert, dann durch eine Extrusionsdüse gepresst und danach abgekühlt und zerkleinert wird.
Die Granulierung von thermoplastischen Polymeren ist bekannt und dient dazu, das Polymer zu Homogenisieren und ggf. Zuschlagstoffe und Additive wie Stabilisatoren, Färbemittel, Mittel zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, Füllstoffe und ähnliche mehr in das Polymer einzuarbeiten. Außerdem lässt sich die Handhabung der thermoplastischen Polymeren bei Transport und Weiterverarbeitung durch Granulierung erheblich gegenüber der Handhabung von Pulver verbessern.
Neben der direkten Kopplung von Polymerisation und Granulierung, bei der das Polymerpulver normalerweise noch über Restwärme von dem Polymerisationsprozess verfügt und aus diesem Grund dem Extruder bei erhöhter Temperatur zugeführt wird, ist insbesondere bei sogenannten Compoundier-Verfahren die Zugabe von Polymer­ pulver zum Extruder bei einer Temperatur, die der Umgebungstemperatur entspricht, üblich. Dies liegt insbesondere an der Zwischenlagerung des Polymerpulvers in Siloanlagen und an den Transportmethoden über pneumatische Fördersysteme, wobei im allgemeinen eine vollständige Abkühlung des Pulvers auf Umgebungstemperatur eintritt.
Bei der Granulierung wird also in aller Regel Polymerpulver dem Extruder üblicherweise bei Umgebungstemperatur als Schüttgut zugeführt. Das Pulver muss dabei in der Einzugszone des Extruders durch mechanische Reibungskräfte mehr und mehr erhitzt und schließlich Zug um Zug aufgeschmolzen werden. Die bekannten Granulierverfahren sind allerdings im Hinblick auf ihre Durchsatzleistung, die damit verbundene Maschinenbelastung und die Produktqualität des Granulats noch verbesserungswürdig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren anzugeben, bei dem die Effektivität der Homogenisierung bei der Granulierung bei gleichbleibendem Durchsatz gesteigert wird oder bei dem die Maschinenbelastung reduziert werden kann, was sich durch verminderte Reparaturanfälligkeit und reduzierte Ausfallzeiten bemerkbar macht, oder bei dem der Produktdurchsatz bestehender Granulieranlagen bei gleichbleibender Homogenisierungsleistung gesteigert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung, dessen Kennzeichenmerkmal darin zu sehen ist, dass das Polymerpulver vor der Zugabe zu dem Extruder einer Wärmebehandlung unterzogen wird und dass die Zugabe des Polymerpulvers zu dem Extruder bei erhöhter Pulvertemperatur erfolgt.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Wärmebehandlung mit einer solchen Intensität durchgeführt, dass die Temperatur des Polymerpulvers bis auf einen Wert im Bereich von 5 bis 30 K unterhalb der Schmelztemperatur des Polymeren ansteigt, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 20 K.
Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung kann auf unterschiedlichste Art und Weise realisiert werden, beispielsweise kann das Polymerpulver mit Wasserdampf erhitzt und anschließend mit Heißluft getrocknet werden oder es kann, durch eine von außen beheizte Röhre geleitet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Polymerpulver in einem Schüttgut- Wärmeübertrager erhitzt, wie er in der Zeitschrift Chemie Technik (1999) Nr. 4, Seite 84, beschrieben ist. Dabei wird der Massenstrom durch einen Schwingförderer gesteuert und das Polymerpulver durchströmt beheizte Metallplatten.
Die für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung benötigte Wärmeenergie kann erfindungsgemäß vorteilhaft durch preiswert auf dem Fabrikationsgelände zur Verfügung stehende Abwärme aufgebracht werden. Ein gutes Beispiel für solche Abwärme ist die exotherme Polymerisationsreaktion, die große Wärmemengen freisetzt. Alternativ kann die für das erfindungsgemäße Verfahren benötigte Wärmeenergie auch aus der Kühlung anderer Produktionsanlagen zu niedrigen Kosten zur Verfügung gestellt werden.
Als vorteilhafte Polymere, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut granuliert werden können haben sich insbesondere Standardpolymere wie Polyolefine Polyester oder Polyamide, vorzugsweise aber Polyethylen oder Polypropylen erwiesen. Bei Polyethylen liegt die erfindungsgemäße Temperatur des Polymerpulvers bei der Zugabe zum Extruder vorzugsweise im Bereich von 80 bis 100°C, während bei Polypropylen eine Temperatur von 120 bis 140°C besonders geeignet ist.
Das nachfolgend dargestellte Rechenbeispiel soll dem Fachmann die Erfindung und ihre Vorteile noch deutlicher darstellen.
Beispiel 1 (erfindungsgemäß)
Der Energiebetrag, der notwendig ist, um ein HDPE Pulver von 20°C auf 100°C zu erwärmen beträgt 42,4 kcal/kg Pulver (Quelle: "Spezifische Wärme von Niederdruck Polyethylen", H. Wilski, Kunststoffe 50 (5) 1960).
Nach Umrechnung ergibt dies einen Wert von 0,049 kWh/kg.
Ein Granulierextruder mit einer Kapazität von 6 t/h benötigt einen spezifischen Gesamtenergieeintrag von 0,2 kWh/kg HDPE, wenn das Pulver eine Anfangstemperatur von 20°C besitzt. Davon entfallen 0,05 kWh/kg auf die Erwärmung des Pulvers von 20 auf 100°C, also rund 25%, bezogen auf die Gesamtmenge. Dies reflektiert das theoretisch maximal erreichbare Einsparpotential, das in der Praxis allerdings nicht in vollem Umfang zu realisieren ist.
Der oben erwähnte Granulierextruder verursacht bei Stromkosten von etwa 9,0 Pfennigen pro kWh pro Jahr Unkosten in Höhe von 950 TDM. Bei Zufuhr von Polymerpulver mit einer Temperatur von 100°C können diese Stromkosten um 20% reduziert werden. Allerdings muss die Energie von 0,05 kWh/kg anderweitig, beispielsweise über sehr kostengünstigen Dampf (Prozesswärme), eingebracht werden.
Damit ergibt sich für eine Granulieranlage mit lediglich 6 t/h Ausstoßleistung ein Einsparpotential von etwa 200 TDM pro Jahr. Der um 20% reduzierte Energieeintrag bedeutet darüber hinaus eine geringere Belastung der Maschine und damit eine längere Lebensdauer in Verbindung mit einem geringeren Reparaturaufwand.
Wird andererseits der maximal mögliche Durchsatz des Extruders von der installierten Antriebsleistung limitiert, dann kann in diesem Fall alternativ durch die Vorwärmung des Polymerpulvers auch die Ausstoßleistung der Maschine erhöht werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren, insbesondere von thermoplastischen Polyolefinen, bei dem das in dem Polymerisationsreaktor hergestellte Polymerpulver in einem Extruder aufgeschmolzen und homogenisiert, dann durch eine Extrusionsdüse gepresst und danach abgekühlt und zerkleinert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver vor der Zugabe zu dem Extruder einer Wärmebehandlung unterzogen wird und dass die Zugabe des Polymerpulvers zu dem Extruder bei erhöhter Pulvertemperatur erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung so durchgeführt wird, dass die Temperatur des Polymerpulvers bis auf einen Wert im Bereich von 5 bis 30 K unterhalb der Schmelztemperatur des Polymeren ansteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung so durchgeführt wird, dass die Temperatur des Polymerpulvers auf einen Wert im Bereich von 10 bis 20 K unterhalb der Schmelztemperatur des Polymeren ansteigt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver vor der Zugabe zu dem Extruder mit Wasserdampf erhitzt und anschließend mit Heißluft oder Stickstoff getrocknet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver vor der Zugabe zu dem Extruder durch eine von außen beheizte Röhre geleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver vor der Zugabe zu dem Extruder in einem Schüttgut- Wärmeübertrager erhitzt wird, wobei der Massenstrom durch einen Schwingförderer gesteuert wird und das Polymerpulver beheizte Metallplatten durchströmt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Wärmebehandlung des Polymerpulvers benötigte Wärmeenergie durch preiswert auf Fabrikationsgeländen zur Verfügung stehende Abwärme aufgebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Granulierung von Standardpolymeren wie Polyolefinen, Polyester oder Polyamiden eingesetzt wird, vorzugsweise zur Granulierung von Polyethylen oder Polypropylen.
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