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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Polyesters
oder Copolyesters, wobei die Viskosität des Endproduktes durch die
Messung der Viskosität
des Hauptstroms aus dem Endreaktor gesteuert wird.
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Verfahren
zur Herstellung von Polyestern und Copolyestern sind bekannt (
US 3,499,873 ,
EP 0 532 988 ,
DE 35 44 551 ,
US 6,582,080 ). Herkömmlich werden
dabei die Rohstoffe zunächst
in einer Veresterungsreaktion zu einem Hydroxyalkyldicarbonsäure-Monomer-
oder -Oligomer-Gemisch umgesetzt. Dieses teilveresterte Oligomer
wird anschließend
einer Vor- bzw. Prepolykondensation unterworfen, wobei ein Prepolymer
und Kondensationsprodukte sowie ein Reaktionsgas, im Wesentlichen
bestehend aus bifunktionalen Alkoholen und Wasser, erhalten werden.
Das Prepolymer wird anschließend
in einem Endreaktor einer Polykondensation unterworfen, um den Polymerisationsgrad
bzw. die Molmasse des Polyesters auf den gewünschten Wert einzustellen.
Geeignete Endreaktoren sind beispielsweise aus
US 3,617,225 bekannt.
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Der
gewünschte
Polymerisationsgrad hängt stark
von der beabsichtigten Verwendung des Polymeren ab und muss in engen
Grenzen eingehalten werden, um die Produktionssicherheit und gleichmäßige Eigenschaften
der aus der Polymerschmelze hergestellten Endprodukte sicherzustellen.
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Anstelle
von Molmasse bzw. Polymerisationsgrad wird zum Zweck der Produktionssteuerung üblicherweise
die direkt zugängliche
Viskosität
der Polymerschmelze gemessen. Diese Größen hängen über bekannte und für den Fachmann
leicht zugängliche
Beziehungen wie beispielsweise die Mark-Houwink- Beziehung zusammen (siehe z. B. Hoffmann/Krömer/Kuhn,
Polymeranalytik, Stuttgart, 1977).
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Die
Kontrolle der Viskosität
der aus dem Endreaktor austretenden Schmelze erfolgt üblicherweise
online durch Viskosimeter. Aufgrund des Messergebnisses werden,
falls notwendig, dann die Bedingungen im Endreaktor, z. B. Druck,
Temperatur oder Verweilzeit auf die erforderlichen Werte geregelt.
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Für diese
online-Viskosimeter sind verschiedene Messprinzipien gebräuchlich:
Kapillarviskosimeter messen die Viskosität in einem Teilstrom, der aus
dem aus dem Endreaktor austretenden Schmelzehauptstrom abgezweigt
und nach der Messung üblicherweise
wieder eingeschleust wird. Bekannt sind geeignete Verfahren und
Vorrichtungen z. B. aus
EP 0
595 276 , WO 00/66993 und
EP
0 769 690 . Die Nachteile dieser Methode bestehen darin,
dass
- • ein
teures, zusätzliches
Messgerät
notwendig ist,
- • die
Eigenschaften nur eines kleinen Teilstroms gemessen werden,
- • der
Teilstrom sich durch die Behandlung im Viskosimeter (starke Scherung,
unterschiedliche Verweilzeit, unterschiedliche Temperatur) verändern und
damit die Messung selbst verfälschen kann.
- • eine
schleichende Verstellung des Messgerätes nicht gleich bemerkt wird
und damit die Reaktorfahrweise negativ beeinflusst.
- • zusätzliche
Kalibrierung und Wartung notwendig ist.
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Ebenfalls
bekannt ist die Messung mittels eines Ausflussviskosimeters beispielsweise
aus
US 6,405,579 . Hierbei
tritt ständig
ein kleiner Teilstrom durch eine definierte Düse aus der Produkthauptleitung
aus. Die ausfließende
Menge wird kontinuierlich, z. B. mittels einer Waage erfasst. Da
diese Menge bei sonst gleich bleibenden Bedingungen direkt mit der
Schmelzeviskosität
korreliert ist, lässt
sich hiermit ebenfalls die Schmelzeviskosität überwachen und der Endreaktor
regeln.
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Die
Nachteile dieser Methode bestehen darin, dass
- • ebenfalls
nur die Eigenschaften eines kleinen Teilstroms gemessen werden,
- • mit
der kontinuierlich arbeitenden Waage ebenfalls ein teures Zusatzgerät notwendig
ist,
- • aufgrund
der austretenden Menge eine ständige Überwachung
und Reinigung der Waage und der Düse erforderlich ist,
- • ständig Produkt
verloren geht.
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Eine
Methode, die die Nachteile der Teilströme vermeidet, ist die Messung
mittels Rotations- oder Oszillationsrheometern (siehe z. B. Hoffmann/Krömer/Kuhn,
Polymeranalytik, Stuttgart, 1977) direkt im Schmelzehauptstrom.
Hierbei befinden sich von außen
angetriebene Rotationskörper
direkt in der Produktleitung, wo sie die Eigenschaften der sie umströmenden Schmelze
erfassen. Aufgrund der in der Produktleitung auftretenden Temperaturen (> 280°C) und Drücke (> 20 bar) treten jedoch
vielfältige
Schwierigkeiten hinsichtlich Abdichtung, Vermeidung von Einflüssen durch
die Schmelzeströmung, Totzonenbildung,
etc. auf. Auch kann in der laminaren Schicht um den Rotationskörper ein
thermischer Kettenabbau stattfinden, der die physikalischen Eigenschaften
dieser Schicht gegenüber
der des Schmelzehauptstroms verändert
und so das Messergebnis verfälscht.
Daher ist auch diese Methode mit hohem apparativem und Wartungsaufwand
sowie einer hohen Störanfälligkeit
verbunden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung
des Endreaktors zur Verfügung
zu stellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gelöst,
bei dem der Endreaktor aufgrund der Messung mindestens einer Temperatur, mindestens
einer Druckdifferenz und dem Volumenstrom im Schmefzehauptstrom
gesteuert wird. Als Schmelzehauptstrom wird dabei der Schmelzestrom bezeichnet,
der zwischen dem Endreaktor der Polykondensation und der Verformungseinheit,
in der aus der Polymerschmelze durch Erstarren Formkörper gebildet
werden, fließt.
Als Formkörper
kommen dabei sowohl Fasern, Filme und Folien in Be tracht als auch
Stränge,
die anschließend
granuliert werden und alle anderen Gegenstände, die aus der Polymerschmelze
geformt werden können.
Entsprechend werden als Verformungseinheiten beispielsweise Lochdüsen, Flach-
oder Rundschlitzdüsen,
Foliengießer
oder Gießköpfe von
Granulatoren eingesetzt. Ebenso ist es denkbar, Spritzgießeinheiten
zur Herstellung beliebiger Formkörper
einzusetzen.
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Aus
dem Endreaktor wird die Schmelze mittels einer Austragspumpe, meist
einer großen
Zahnradpumpe ausgetragen. Zahnradpumpen arbeiten volumetrisch, d.
h. das von ihnen geförderte
Volumen lässt
sich unabhängig
von der Viskosität
der geförderten
Schmelze über
die Pumpendrehzahl bestimmen.
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Der
Schmelzehauptstrom wird zur Entfernung von Verunreinigungen durch
einen Polymerschmelzefilter geleitet.
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Erfindungsgemäß wird aus
den Messwerten von zwei im Schmelzehauptstrom hintereinander angeordneten
Druckaufnehmern, der Temperatur der Schmelze zwischen diesen beiden
Druckaufnehmern und dem von der Zahnradpumpe, bekannten Volumenstrom
der Schmelze die Viskosität
berechnet und bei Abweichung dieser Viskosität vom Sollwert der Endreaktor
so gesteuert, dass der Sollwert wieder erreicht wird. Beispielsweise
wird man bei Absinken der Viskosität unter den Sollwert den Druck
im Reaktor verringern und beim Ansteigen der Viskosität über den
Sollwert den Druck erhöhen.
Weitere Eingriffsmöglichkeiten
werden jedoch nicht ausgeschlossen.
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In
Analogie zur Hagen Poisseuille-Gleichung ist der Druckverlust Δp bei laminarer
Strömung
proportional der dynamischen Viskosität multipliziert mit dem Volumenstrom
V
t. Die Proportionalitätskonstante K
η lässt sich
näherungsweise
aus der Geometrie ableiten (bei einem Rohr mit Innendurchmesser
D und Länge
L beträgt
sie beispielsweise 128·L /(rr·D
4)). Besser ist es jedoch, die Konstante
beim Start der Anlage aus Messwerten zu bestimmen in der gleichen
Weise, wie beim Kapillarviskosimeter eine Ermittlung der Gerätekonstante
erfolgt. Da viele Polymere eine scherabhängige Viskosität aufweisen, ist
bei be kanntem Fliessgesetz gegebenenfalls die Anpassung einer zusätzlichen
Konstante K
scher erforderlich.
- A. In
dem einfachen Fall einer unverzweigten Strecke nach der Austragspumpe
(oder vor einer Boosterpumpe) lässt
sich die Viskosität
in genügender
Genauigkeit durch die Messung des Differenzdruckes, einer mittleren
Temperatur und mit Kenntnis des Volumenstromes aus der Pumpendrehzahl
berechnen.
- B. Im Fall der Verzweigung des bekannten Hauptvolumenstromes
auf zwei oder mehr parallele Teilströme z.B. zu parallel geschalteten
Stranggießern
lässt sich
die Viskosität
durch Messung der Drücke
und der Temperaturen vor den Stranggießern berechnen, nachdem man
die Streckenparameter Kη, und Kscher der
einzelnen Parallelstrecken bestimmt hat. Aus den Druckverlustbeziehungen
für die
einzelnen Parallelstrecken und der Aufsummierung der Teilströme zum bekannten
Hauptstrom ergibt sich ein Gleichungssystem zur Bestimmung der Viskosität und der
Teilströme.
Die genaue Kenntnis der Teilströme
kann z.B. zur besseren Steuerung der einzelnen Abzugsgeschwindigkeiten
genutzt werden, um so ein gleichmäßigeres Granulat zu erzeugen.
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Überraschenderweise
ist es für
die Qualität der
erfindungsgemäßen Reaktorüberwachung
nicht erforderlich, dass die Druck- und Temperaturmessungen unmittelbar
am Produktauslaß des
Endreaktors oder direkt nach der Austragspumpe erfolgen müssen. Auch
die im späteren
Verlauf des Schmelzehauptstromes feststellbaren Änderungen sind unter Berücksichtigung
der verlängerten
Regeltotzeiten für eine Überwachung
des Endreaktors noch geeignet.
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Bei
den heute üblichen
Polyesteranlagen werden Endreaktoren mit einer Produktionsleistung von
bis zu 1000 t Polyester pro Tag eingesetzt. Es ist daher möglich und üblich, mit
der Polymerschmelze aus einem Endreaktor mehrere Verformungseinheiten
zu versorgen. Hierzu werden spezielle Schmelzeverteiler eingesetzt.
Die Aufteilung in mehrere Teilströme kann mittels einem einzigen
Schmelzeverteiler oder einer sich verzweigenden Anordnung mehrerer
Schmelzeverteiler erfolgen. Geeignete Schmelzeverteiler sind z.
B. in
EP 615 006 beschrieben.
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Bei
größeren Anlagen,
z. B. bei Direktspinnereien, in denen die Polymerschmelze aus dem
Endreaktor ohne zwischenzeitliche Granulatstufe direkt zu Fasern
oder Filamenten versponnen wird, ist zwischen Austragspumpe und
Verformungseinheit aufgrund des großen Druckverlustes beim Schmelzetransport
und zur sicheren Versorgung aller Verformungseinheiten mindestens
eine Druckerhöhungspumpe
notwendig. Diese kann vor oder auch nach dem Schmelzeverteiler angeordnet
sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Druckdifferenz zwischen Polymerfilter und Druckerhöhungspumpe gemessen.
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Um
die Schmelze gleichmäßig auf
die Verformungseinheiten zu verteilen, ist es bisher schon gebräuchlich,
hinter dem Schmelzeverteiler Druckaufnehmer vorzusehen, mit Hilfe
von deren Messwerten der Schmelzeverteiler gesteuert wird. In Anlagen,
in denen Polyestergranulat hergestellt wird, sind diese Druckaufnehmer üblicherweise
in den Granuliereinrichtungen eingebaut. Die Temperatur der Schmelze wird
vor dem Schmelzeverteiler gemessen. Auch Messungen der Schmelzetemperatur
nach dem Schmelzeverteiler sind möglich.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Messwerte aller Druckaufnehmer, die Schmelzetemperatur
sowie der bekannte Volumenstrom der Austragspumpe zur Ermittlung
der I.V. verwendet. Bei Abweichung dieser I.V. von einem Sollwert
wird der Endreaktor entsprechend nachgeregelt.
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Zwei
mögliche
Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden genauer beschrieben, ohne allerdings
die Erfindung auf diese beiden Ausgestaltungen zu beschränken:
1 zeigt
eine Anlage zur Herstellung von Polyestergranulat, das beispielsweise
für die
Herstellung von Getränkeflaschen
verwendet werden kann. Die Schmelze wird aus dem Endreaktor 1 mittels
einer Austragspumpe 2 durch einen Polymerschmelzefilter 3 vorbei
an einem in der Rohrleitung eingebauten Temperaturfühler Ti,
der die Temperatur T misst, auf einen Schmelzeverteiler 4 geleitet.
Der Schmelzedurchsatz V wird aus dem bekannten Fördervolumen pro Umdrehung und
der Drehzahl der Austragspumpe 2 berechnet. Im Schmelzeverteiler 4 wird
die Schmelze auf mehrere (abgebildet sind hier vier) Granulatoren 5 aufgeteilt.
Die Druckaufnehmer P1, P2, P3 und P4, die die Druckmesswerte p1 – p2 liefern, sitzen direkt in den als Stranggießer bezeichneten
Teilen dieser Granulatoren und messen den Differenzdruck über den
Giesskopf zur Atmosphäre.
Die Messwerte werden in das Prozessleitsystem eingespeist, in der
die aktuelle I.V. berechnet wird. In Abhängigkeit von der Differenz
dieses Wertes vom vorgegebenen Sollwert der I.V. wird nun in die
Reaktorsteuerung eingegriffen, beispielsweise indem über die
Vakuumsteuerung PC der Druck im Reaktorraum geändert wird.
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2 zeigt
eine Direktspinnerei. Diese entspricht bis zum Polymerschmelzefilter 3 der
in 1 gezeigten Anlage. Nach dem Filter 3 befindet
sich im Schmelzehauptstrom jedoch direkt die Differenzdruckmessstrecke
zwischen den beiden Druckaufnehmern P5 und P6, die die Druckmesswerte
liefern. Zwischen beiden Druckaufnehmern wird die Temperatur des
Schmelzehauptstromes mit dem Temperaturfühler Ti1 gemessen. Nach dieser
Druckmessstrecke befindet sich eine Druckerhöhungspumpe 6, die den
notwendigen Druckaufbau für
die Verteilung des Schmelzehauptstroms über den Schmelzeverteiler 4 auf
die einzelnen Spinnbalken 7 übernimmt. Die Messwerte werden
in das Prozessleitsystem eingespeist, in dem die aktuelle I.V. berechnet
wird. In Abhängigkeit
von der Differenz dieses Wertes vom vorgegebenen Sollwert der I.V.
kann nun ebenfalls in die Reaktorsteuerung eingegriffen werden.
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In
vielen Spinnereien ist vor dem Schmelzeverteiler eine Möglichkeit
zur Ausschleusung von Polymerschmelze vorhanden. Üblicherweise
handelt es sich hierbei um einen Granulator 8, der aus
momentan nicht in der Spinnerei benötigtem Polymer Chips herstellt,
die später
erneut aufgeschmolzen und bei spielsweise zur Faser-, Folien- oder
Flaschenherstellung verwendet werden können. In diesem Fall erfolgt die
Ausschleusung beispielsweise zwischen Polymerfilter 3 und
erstem Druckaufnehmer P5. Dieser Schmelzestrom wird über die
Differenz der Pumpenströme
bestimmt und erlaubt unter Benutzung des Druckaufnehmers P7 und
des Temperaturfühlers
Ti2 ebenfalls die Berechnung einer Viskosität mit Hilfe des Prozessleitsystems.
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Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird im Folgenden an Hand von Beispielen verdeutlicht.
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Beispiel 1
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In
einer Anlage zur Herstellung von PBT mit nur einem Granulator wurde
alternativ zum Viskosimeter die Viskosität aus der Drehzahl der Austragspumpe,
der Temperatur in der Austragsleitung und dem Druck vor dem Giesskopf
berechnet. 3 zeigt über mehrere Tage die gute Übereinstimmung
der beiden Werte nach Anpassung der Proportionalitätskonstante
Kscher.
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Beispiel 2
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In
einer Anlage zur Herstellung von Flaschen-PET mit zwei Granulatoren
wurde die Viskosität
aus der Drehzahl der Austragspumpe, der Temperatur in der Austragsleitung
und den Drücken
vor den Giessköpfen
berechnet und zur Viskositätsregelung verwendet.
Es zeigte sich, dass die Qualität
dieser Regelung mindestens ebenso gut war, wie mit einem üblichen
Viskosimeter. Die Zielviskosität
von 0,625 dl/g konnte mit einer Standardabweichung von 0,0015 dl/g
(± 0,004
dl/g absolut) eingehalten werden.
