DE102009007643A1

DE102009007643A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung eines zähviskosen, pastösen Produktes

Info

Publication number: DE102009007643A1
Application number: DE102009007643A
Authority: DE
Inventors: Andreas Diener; Thomas Dr. Isenschmid; Alain Schwick; Manuel Steiner; Daniel Dr. Witte
Original assignee: List Holding AG
Current assignee: LIST TECHNOLOGY AG, CH
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-12

Abstract

Bei einem Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung eines zähviskosen, pastösen Produktes in einem Mischkneter mit zumindest einem drehenden Mischelement und mit einem durchgängigen Produkt- und Gasraum soll zur Ermittlung des Füllgrades das Drehmoment des Mischelements verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung eines zähviskosen, pastösen Produktes in einem Mischkneter mit zumindest einem drehenden Mischelement und mit einem durchgängigen Produkt- und Gasraum.
STAND DER TECHNIK
Die industrielle Herstellung von Polymeren, insbesondere die Herstellung von homo- und co-polymeren Elastomeren, erfolgt durch Polymerisationsreaktionen im sogenannten Solution-Polymerisationsverfahren, wobei für eine bessere Durchmischung durch die Verwendung von Lösungsmittel die Viskosität im Rührkesselreaktor abgesenkt wird. Aus der dabei entstehenden Polymerlösung muss das Lösemittel abgetrennt werden. Die Entfernung dieses Verdünnungsmittels erfolgt heute im Koagulation- und Strippverfahren, wobei grosse Mengen Energie in Form von Strippdampf (wet process) eingesetzt werden. Nach diesem Schritt muss das Polymer durch eine mechano-thermische Trocknung aufwendig vom Strippmedium abgetrennt werden. Die Entfernung des Strippmediums erfolgt zweistufig über ein mechanisches Abpressen und atmosphärisches Trocknen. Während dieser Prozesse wird sehr viel Energie in Form von Wasserdampf und sehr viel Waschwasser benötigt, was zu hohen Abwassermengen und, aufgrund der grossen offenen Aggregate, zu hohen Emissionen führt. Parallel dazu muss das Strippmittel und das Lösungsmittel wiederum sehr aufwendig voneinander getrennt werden. Das bestehende Verfahren ist damit eine energetisch sehr ineffiziente, eine von hohen Emissions- und Investitionskosten gekennzeichnete uneffektive Technologie. Die bestehende Technologie ist bekannt, die Risiken sind gering und die Katalysatorsysteme sowie die Verarbeitung sind auf diese Technologie zugeschnitten.
In der US 3 683 511 A wird eine Methode beschrieben, die speziell für die Entgasung polybutadienhaltiger Polymerlösungen und Lösungen, wo im Polymer mehr als 50% Butadien einpolymerisiert ist, erarbeitet wurde. Erfindungsgemäss wird die Entfernung des Lösungsmittels dadurch gelöst, dass in den Extruder Wasser zugegeben wird.
Ähnliche Lösungen werden auch in der US 4 909 898 A und der EP 0 262 594 B1 vorgestellt. In dieser Veröffentlichung wird die Polymerlösung in die Mixer-/Kneaderzone gebracht und das Lösungsmittel bei der Temperatur verdampft, bei der die Oberfläche der Wärmeübergangsfläche eine höhere Temperatur hat als die Siedetemperatur des am niedrigst siedenden Lösungsmittels. Dabei wird ebenfalls eine mit dem Polymeren unmischbare Flüssigkeit zugegeben, in diesem Fall Wasser.
In der US 6 150 498 A und der EP 0 910 588 B1 wird ein Verfahren zur Entgasung von EPDM und ähnlichen Polymeren, wie Polyethylen, Polypropylen, Ethylenpropylengummi und Polystyrol mit einem thermischen Trockner vorgestellt. Dabei besteht der thermische Trockner aus einem horizontalen Mantel und einer rotierenden Welle innerhalb des Mantels, Scheibenelemente, die auf der Welle angeordnet sind und stationäre Gegenzapfen aufweisen, die auf der Innenseite des Mantels angebracht sind. Die Anwendung einer solchen Technologie ist auf Polymerlösungen, die größere Mengen an Dissipationsenergie absorbieren können beschränkt, da sich das Polymer sonst zu sehr erhitzt oder die Entgasungsleistung unzureichend ist.
Neben den energetischen Aspekten und den hohen Emissionen sind vor allem der hohe Aufwand für die Wasserabtrennung für die modernen wasserempfindlichen anionische Polymerisationsverfahren und die Aufarbeitung von extrem temperaturempfindlichen Produkten eine Triebkraft zur Modernisierung des Verfahrens.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Energie- bzw. Wasserdampf- und den Wasserverbrauch zu reduzieren um die Energiebilanz des Prozesses zu verbessern sowie die Effizienz neuer Polymerisationsverfahren zu erhöhen. Parallel dazu können temperaturempfindliche Spezialpolymere hergestellt werden, die mit der bestehenden Technologie nicht bzw. nur unter Zugabe von speziellen Antioxydanten herstellbar sind. Das neue Polymerlösungs-Aufbereitungsverfahren (dry process) hat das Ziel, den Prozess energieeffizienter, umweltfreundlicher und flexibler zu machen.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass zur Ermittlung des Füllgrades das Drehmoment des Mischelements verwendet wird.
Es handelt sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung einer Polymerlösung durch direkte Verdampfung von Lösungsmittel, Monomer, Katalysator-, Initiator- oder Reaktionsresten aus der Polymerisation von elastomer-haltigen Polymerlösungen in Mischknetern mit einer oder zwei Rührwellen. Dabei wird eine niedrigviskose Polymerlösung erstens in einer Verdampfungsschleife, zweitens in einem Verdampfungsmischkneter und drittens in einem Entgasungskneter behandelt. Dieses Verfahren eignet sich speziell für temperaturempfindliche Polymere, die bis maximal 160°C behandelt werden dürfen.
Bevorzugt wird, die dünnflüssige Polymerlösung zuerst in einer Verdampfungsschleife mit Kontaktwärme vorzukonzentrieren und dann als viskose Polymerlösung in einen Verdampfungsmischkneter so zu dosieren, dass die Viskosität in diesem Aggregat ausreicht, um mehrheitlich über Friktion die Verdampfungsenergie bereit zu stellen, um über 90% des mit der Polymerlösung zugeführten Fluids (z. B. Lösungsmittel) zu verdampfen. Die eingetragene thermische und mechanische Energie wird dabei direkt zur Verdampfung des Lösungsmittels genutzt, wobei das Druckniveau so eingestellt wird, dass die maximale Polymertemperatur aufgrund der Verdampfungskühlung des Lösungsmittels nicht überschritten wird.
Aus diesem Verdampfungskneter wird ein Polymer mit ca. 10% Restfeuchte (z. B. Lösungsmittel) ausgetragen und in einen Entgasungskneter dosiert, um dort auf die endgültig gewünschte Restfeuchte (z. B. Restlösungsmittelkonzentration) eingedampft zu werden.
Zur Verbesserung des Entgasungsprozesses werden kleine Mengen eines Fluids (z. B. Wasser) in den Entgasungskneter dosiert und durch das Verdampfen auf der Oberfläche des Polymers die für eine Oberflächenerneuerung eingetragene mechanische Energie wieder abgeführt, so dass die Polymertemperatur exakt eingestellt werden kann (z. B. um Überhitzung und thermische Schädigung zu vermeiden. Parallel dazu hilft der entstehende Fluiddampf (z. B. Wasserdampf) im Brüdenraum als Strippmittel Partialdruck senkend und kann, im Gegensatz zur kontaminierten heissen Trocknungsluft (hot air) des bestehenden Prozesses, komplett mit dem Lösungsmittel kondensiert werden.
Das gefundene Verfahren eignet sich für hoch temperaturempfindliche und weniger empfindliche Polymere, wie zum Beispiel für die direkte Eindampfung von butadien- und butylstämmigen Elastomeren, wie BR, SBR, SBS, SIS, SBM HBR, NBR oder auch EPDM-stämmigen Elastomeren sowie zur Eindampfung von Copolymerlösungen, die direkt co-polymerisiert werden oder aus zwei Polymerlösungen vor der direkten Eindampfung gemischt werden, wie z. B. Polymerlösungen aus gemischten SBS und SBR Lösungen, also schwierig mischbaren Elastomeren und Plastomeren.
Aufgrund des geschlossenen Systems des dry process können über 98% des Lösungsmittels im Kreislauf ohne aufwendige Wasserabtrennung zur Polymerisation zurückgeführt und die Lösemittelemissionen bzw. die belastete Abwasser- und Abgasmenge enorm reduziert werden.
Entgegen dem genannten Stand der Technik macht es die Erfindung möglich, mittels Extrudern oder Knetmaschinen elastomerhaltige Polymerlösungen, speziell reine Polybutadienlösungen, direkt und ohne weitere Hilfskomponenten auf beliebige Restlösungsmittelgehalte zu entgasen.
Die Mischkneter, mit denen die hier vorliegende Erfindung getestet wurde, sind ein- oder zweiwellig, gleich- oder gegenläufig und werden in den Patenten DE 2 349 106 C , EP 0 517 068 A1 , EP 0 853 491 , DE 101 50 900 C1 (PTC/ EP 02/11578 ; WO 03/035235 A1 ) detailliert beschrieben. Sie werden bis zu einer Grösse von 25'000 Liter freiem Volumen hergestellt und können für die Direktverdampfung eingesetzt werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur eine blockschaltbildliche Darstellung eines Verfahrensaufbaus einer erfindungsgemässen mehrstufigen Anlage zur kontinuierlichen thermischen Trennung von Stoffgemischen, insbesondere zur Behandlung von Polymerlösungen.
Eine beliebige Polymerlösung 1 wird als erstes einem Verdampfer 2 zugeführt. Bei diesem Verdampfer 2 kann es sich bspw. um eine Verdampfungsrohrschleife handeln. In dem Verdampfer 2 findet eine Vorkonzentration statt. Die dünnflüssige, meistens direkt aus der Lösungsmittelpolymerisation stammende Polymerlösung mit ca. 5 bis 50% Polymergehalt wird durch eine thermische Behandlung auf etwa 20 bis 80% aufkonzentriert. Die verdampften, flüchtigen Bestandteile (Brüden) werden aus dem Verdampfer abgezogen und einem Kondensator 3 zugeführt.
Die aufkonzentrierte Polymerlösung gelangt dann aus dem Verdampfer 2 in einen Verdampfungskneter 4. Dabei handelt es sich bevorzugt um einen horizontalen Mischkneter mit einem oder mehreren horizontal angeordneten Knetwellen, an denen sich entsprechende Knetelemente befinden. Diesen Knetwellen ist ein Antrieb 5 zugeordnet.
Die aufkonzentrierte Polymerlösung kann an einer oder mehreren Stellen nacheinander oder gleichzeitig eindosiert werden. Dabei soll die Dosiermenge der Polymerlösung jeweils durch eine vorgegebene Produkttemperatur gesteuert werden.
Dem Verdampfungskneter 4 sitzt wiederum ein Brüdendom 6 zum Abzug der leicht flüchtigen Bestandteile auf, die wiederum in einem Kondensator 7 kondensiert und ausgetragen werden können.
Die jetzt im Verdampfungskneter 4 aufkonzentrierte Polymerlösung wird über einen Polymeraustrag 8 kontinuierlich ausgetragen. Dabei soll die aus dem Verdampfungskneter 4 ausgetragene Polymerlösung durch einen Druckaufbau, vorzugsweise durch eine Zahnradpumpe 9, auf einen Druck von mehr als 10 bar gebracht werden. In die unter Druck stehende Polymerlösung wird nun, falls erforderlich, ein flüssiges oder gasförmiges Additiv eindosiert und in einem Mischrohr 10, einem statischen oder dynamischen Mischer möglichst homogen in die Polymerlösung eingemischt. Diese Mischung wird dann im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Düsenplatte 11 in einen nachgeschalteten Entgasungskneter 12 zur Entgasung entspannt, wobei durch eine schlagartige Verdampfung der flüchtigen Bestandteile und der Additive eine Erhöhung der Partikeloberfläche stattfindet. Dies geschieht analog dem sogenannten Popkorneffekt.
In dem Entgasungskneter entsteht eine Propfenströmung für die Polymerlösung, wobei diese einer stetigen aktiven Oberflächenerneuerung unterliegt und dabei mechanische Dissipationsenergie in der Polymerlösung absorbiert wird.
Während der Entgasung wird die Polymerlösungstemperatur im Entgasungskneter durch die Zugabe von leicht verdampfbaren, in der Polymerlösung nicht löslichen Additiven an einer oder mehreren Stellen im Entgasungskneter unterhalb der Polymerschädigungstemperatur gehalten. Dies ist durch die Pfeile 13 dargestellt. Das Ganze wird über Temperaturmessinstrumente kontrolliert, über die auch die entsprechend dosierte Additivmenge für die Verdampfungskühlung geregelt wird.
Auf dem Entgasungskneter 12 sitzt ein weiterer Brüdendom 14 auf, über den wiederum leicht flüchtige Bestandteile aus dem Entgasungskneter ausgetragen werden.
An den Entgasungskneter 12 schliesst ein weiterer Polymeraustrag 15 an, wobei die nunmehr fertige Polymermasse durch einen weiteren Druckaufbau, vorzugsweise durch eine weitere Zahnradpumpe 16, auf einen Druck von mehr als 10 bar gebracht wird.

Diese Polymermasse gelangt dann in eine Schneidevorrichtung 17, in der sie vorzugsweise granuliert oder auf eine sonstige gewünschte Form gebracht wird. Dieses Granulat wird dann ausgetragen. Bezugszeichenliste

1	Polymerlösung
2	Verdampfer
3	Kondensator
4	Verdampfungskneter
5	Antrieb
6	Brüdendom
7	Kondensator
8	Polymeraustrag
9	Zahnradpumpe
10	Mischrohr
11	Düsenplatte
12	Entgasungskneter
13	Pfeil
14	Brüdendom
15	Austrag
16	Zahnradpumpe
17	Schneidevorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 3683511 A [0003]
- US 4909898 A [0004]
- EP 0262594 B1 [0004]
- US 6150498 A [0005]
- EP 0910588 B1 [0005]
- DE 2349106 C [0016]
- EP 0517068 A1 [0016]
- EP 0853491 [0016]
- DE 10150900 C1 [0016]
- EP 02/11578 [0016]
- WO 03/035235 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung eines zähviskosen, pastösen Produktes in einem Mischkneter mit zumindest einem drehenden Mischelement und mit einem durchgängigen Produkt- und Gasraum, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Füllgrades das Drehmoment des Mischelements verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Austrag des Mischkneters ein ein- oder mehrwelliges schneckenförmiges Austragsorgan und anschliessend eine Zahnradpumpe angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein bestimmter Füllgrad resp. das Drehmoment des Mischelements durch Variieren der Drehzahl der Zahnradpumpe eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des schneckenförmigen Austragsorgans so eingestellt wird, dass ein vorbestimmter Druck am Eintrag der Zahnradpumpe ansteht, so dass die Zahnradpumpe nahezu vollständig mit Produkt gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein bestimmter Füllgrad resp. das Drehmoment des Mischelements durch Variieren der Drehzahl des schneckenförmigen Austragsorgans eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Zahnradpumpe so eingestellt wird, dass ein vorbestimmter Druck am Eintrag der Zahnradpumpe ansteht, so dass die Zahnradpumpe nahezu vollständig mit Produkt gefüllt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Mischelements so eingestellt wird, dass der Füllgrad resp. das Drehmoment gleich gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das schneckenförmige Austragsorgan mit einer Drehzahl betrieben wird, so dass das vom Mischkneter übergebene Produkt sofort ohne Rückstau ausgetragen wird.