DE19649013B4

DE19649013B4 - Verfahren zur Reinigung einer Polymerschmelze-Filtrationsvorrichtung

Info

Publication number: DE19649013B4
Application number: DE19649013A
Authority: DE
Inventors: Paul Tersi; Klaus Stakalies; Dieter Cermak
Original assignee: ZiAG Plant Engineering GmbH
Current assignee: LL Plant Engineering AG
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2016-11-28
Also published as: DE19649013A1

Abstract

Verfahren zur hydrolytischen Reinigung einer verunreinigten, mehrere Filterkerzen enthaltenden und zuvor zur Filtration von Schmelze eines hydrolysierbaren Polymers, wobei als Polymerschmelze eine Polyester-, Polyamid- oder Polycarbonat-Schmelze verwendet wird, bei der Temperatur t_p benutzten Filtrationsvorrichtung, wobei
a) ein Teil der in der Filtrationsvorrichtung verbliebenen Polymerschmelze bei einer Temperatur gleich t_p –10°C bis t_p +10°C aus der Vorrichtung abgelassen wird,
b) der restliche Teil der Polymerschmelze mit Hilfe von kontinuierlich zu- und abgeführtem Wasserdampf bei einer Temperatur gleich t_p bis t_p +35°C während mindestens 48 h hydrolysiert wird, wobei die Filtrationsvorrichtung vollständig mit Dampf gefüllt ist, und die Hydrolyseprodukte aus der Filtrationsvorrichtung ausgetragen werden, und
c) die danach verbleibenden Verunreinigungen durch Absprühen oder Abspülen mit einer Flüssigkeit entfernt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur hydrolytischen Reinigung einer verunreinigten, mehrere Filterkerzen enthaltenden und zuvor zur Filtration von Polymerschmelze, insbesondere Polyester-, Polyamid- oder Polycarbonat-Schmelze, benutzten Filtrationsvorrichtung.

Steigende Anforderungen an die Qualität von Polymerprodukten haben die Feinstfiltration der Polymerschmelze zu einer notwendigen Prozeßstufe werden lassen. Hierfür werden bekannterweise zylindrische Filterelemente, sogenannte Filterkerzen, aus gefalteten, flexiblen Materialien, wie Metalldrahtgewebe und Metallfaservliese, mit einer Filterfeinheit von je nach Verwendung des Polymers 5 bis 150 μm eingesetzt. Der Durchsatz großtechnischer Anlagen erfordert eine Vielzahl von Filterkerzen, die entweder zu einem in ein beheiztes Druckgefäß eingesetzten Filterpaket zusammengefaßt sind (Chemiefasern/Textilindustrie [Nov. 1989], Seiten 1171-74, sowie Filtration & Separation Vol. 26/1 [1989], Seiten 43-45) oder einzeln in je ein Wärmetauscherrohr eines Rohrbündelwärmetauschers eingesetzt sind (US-Patente 5 456 828 A und 5 484 539 A).

Je nach Häufigkeit von vernetzten oder vercrackten Produkten und gegebenenfalls von Pigment-Agglomeraten in der Polymerschmelze setzt sich die Filterfläche der Filterkerzen allmählich zu, so daß eine Reinigung der Filtrationsvorrichtung und insbesondere der Filterkerzen erforderlich wird. Diese Reinigung erfolgt bekannterweise mit nur mäßigem Erfolg durch thermische Oxidation bei Temperaturen von mindestens 420°C oder mit besserem Wirkungsgrad durch thermische Oxidation mit vor- oder nachgeschalteter Wasserdampf-Hydrolyse bei. 420 bis 480°C (Proceedings, International Polymer Melt Filtration Conference, Stuttgart/DE, October 29-31, 1996, Seite 94-99). Die für eine ausreichende Reinigung erforderlichen, hohen Temperaturen, die nahe an der thermischen Belastbarkeitsgrenze der Filterkerzen liegen, führen jedoch, insbesondere in Verbindung mit dem zur Oxidation notwendigen Sauerstoff und der dabei zusätzlich freigesetzten Wärme, zu einer vorschnellen Zerstörung der äußerst feinen Metalldrahtgewebe oder Metallfaservliese der Filterkerzen.

Im US-Patent 4,238,428 wird ein Verfahren zum Reinigen von Vorrichtungen, die durch geschmolzene Substanzen wie Harnstoff, Wachs oder Paraffin verunreinigt sind, beschrieben. Dieses Verfahren besteht im Rückspülen des Filters mittels Dampf, Luft oder eines Inertgases bei Temperaturen von 110 bis 200°C. Es wird betont, dass die Substanzen durch das Gas nicht verändert, also beispielsweise zersetzt werden sollen. Die Wirkung dieses Verfahren ist also eine rein mechanische. Ein solches Verfahren ist bei der Reinigung von mit vergleichsweise hochschmelzenden Polymeren wie Polyester, Polyamid oder Polycarbonat verschmutzten Filtern ungeeignet.

Im US-Patent 3,426,091 wird ein Verfahren zum Reinigen von Reaktoren beschrieben, in denen Styrol durch katalytische Dehydrierung von Ethylbenzol hergestellt wird. Die dabei gebildeten Verunreinigungen, die hauptsächlich aus vernetzten Polymeren des Styrols bestehen, werden durch ein Gemisch von Luft und Wasserdampf bei 180 – 270°C zersetzt. Der Wasserdampf dient hierbei lediglich als Verdünnungsmittel für die oxidierend wirkende Luft, die ansonsten zu einem unkontrollierten Abbrennen führen würde. Reiner überhitzter Wasserdampf ist für die Entfernung dieser Polymere nicht geeignet. Die Zersetzungsprodukte werden anschließend mittels Roh-Styrol oder einem styrol-lösenden Lösungsmittel aufgelöst und entfernt. Dieses oxidierende Verfahren ist für feine Filtermaterialien nicht geeignet, da es deren Lebensdauer deutlich verkürzt. Die Abspülung mit den beschriebenen Lösungsmitteln ist teuer und führt zu umweltbelastenden Abfällen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Reinigung einer Polymerschmelze-Filtrationsvorrichtung aufzuzeigen, welches eine ausreichende Reinigung bei gleichzeitig längerer Lebensdauer der Filterkerzen, als bei den bekannten Verfahren, gewährleistet. Das Verfahren sollte bei Polyester-, Polyamid- oder Polycarbonat-Schmelze-Filtern anwendbar sein.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar bei mit hydrolysierbaren Polymeren, wie Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyamide, insbesondere Polyamid -6 oder -6,6, oder Polycarbonat verunreinigten Filtrationsvorrichtungen. Je nach Polymer liegt die Temperatur t_p, bei der die Filtration der Polymerschmelze erfolgt ist, bei etwa 250 bis 285 °C. Bei kontinuierlichen Produktionsanlagen sind überlicherweise zwei gleiche Filtrationsvorrichtungen parallel geschaltet, wobei in der einen Vorrichtung die Filtration durchgeführt wird, während die andere Vorrichtung gereinigt wird. Da die Laufzeit einer Filtrationsvorrichtung bis zur Notwendigkeit einer Reinigung mindestens eine, eher zwei bis drei Wochen beträgt, steht für die Reinigung eine ebenso lange Zeit zur Verfügung, ohne Beeinträchtigung der Produktion.

Die zu reinigende Filtrationsvorrichtung kann während der Reinigung in der Produktionsanlage verbleiben, wobei lediglich durch entsprechende Ventilschaltung oder anderweitige Unterbrechung die Leitungen für die Polymerschmelze-Zufuhr und -Abfuhr abgekoppelt werden. Die Vorrichtung wird in gleicher Weise weiterbeheizt, wie während des Filtrationsvorganges, so daß ein wesentlicher Teil der in der Vorrichtung verbliebenen Polymerschmelze von selbst durch eine entsprechende Bodenöffnung aus der Vorrichtung abfließt. Während des Ablassens sollte die Temperatur der Polymerschmelze nicht wesentlich von der Temperatur, bei der die Filtration ausgeführt wird, abweichen. Vorzugsweise erfolgt das Ablassen unter Inertgas-Atmosphäre, zum Beispiel Stickstoff. Auf diese Weise wird das Filterkerzen-Gewebe vor thermo-oxidativer Schädigung bewahrt und die Bildung schwerer zu hydrolysierender Polymer-Vernetzungsprodukte vermieden. Grundsätzlich sind etwas höhere Temperaturen bis maximal 320 °C und/oder das Arbeiten ohne Inertgas-Atmosphäre möglich, aber weniger empfehlenswert. Die Polymerschmelze kann auch mit Gas aus der Vorrichtung herausgedrückt werden.

Nachdem ein wesentlicher Teil der Polymerschmelze aus der Vorrichtung abgelassen wurde, wozu üblicherweise 5 bis 8 h erforderlich sind, und eine eventuelle Inertgas-Zufuhr unterbrochen wurde, beginnt die Hydrolyse des verbliebenen Polymers. Hierzu wird Wasserdampf kontinuierlich durch die bei einer Temperatur gleich t_p bis t_p +35 °C, maximal 320 °C, gehaltene Vorrichtung geleitet. Die hierfür benötigte Dampfmenge ist gering. Es genügt, soviel Wasserdampf zirkulieren zu lassen, daß die Filtrationsvorrichtung vollständig mit Dampf gefüllt ist und stets ein wenig Dampf neben Kondensat aus der Vorrichtung wieder austritt. Beispielsweise kann 6 bar Dampf, der in derartigen Produktionsanlagen meist ohnehin verfügbar ist, entsprechend entspannt werden, vorzugsweise bis auf 100 bis 200 mbar Überdruck, und dann durch die Filtrationsvorrichtung geleitet werden, wobei er sich bis auf Hydrolyse-Temperatur überhitzt. Statt Wasserdampf kann auch ein Gemisch aus Wasserdampf und dem Dampf eines dem Polymer zugrundeliegenden Monomers, beispielsweise bei Polyethylenterephthalat Ethylenglykol, eingesetzt werden. Sicherheitstechnische (Brennbarkeit) und umwelttechnische (Abwasser) Belange sind hierbei aber zu beachten.

Die Hydrolyseprodukte, d. h. die Spaltprodukte des Polymers, wie Oligomere, Monomere und deren Zersetzungsprodukte, werden teils zusammen mit dem Wasserdampf, teils als flüssiges Gemisch zusammen mit dem Kondensat am Boden der Filtrationsvorrichtung ausgetragen.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß entgegen bisheriger Kenntnisse für die Hydrolyse Temperaturen von maximal 320 °C, vorzugsweise maximal 300 °C, und je nach Polymer gleich t_p bis t_p +35 °C, vorzugsweise gleich t_p bis t_p +15 °C, völlig ausreichen. Nach einer Hydrolysedauer von mindestens 48 h, vorzugsweise 48 bis 72 h, maximal etwa 150 h, sind die gesamten Polymerrückstände vollständig hydrolysiert. Die verbleibenden Verunreinigungen können danach durch Absprühen oder Abspülen leicht entfernt werden. Eine zusätzliche oxidative Reinigung, wie bei dem Verfahren des Standes der Technik, ist nicht erforderlich und wird mit Rücksicht auf die Lebensdauer des Filterkerzengewebes ausdrücklich ausgeschlossen.

Zum Absprühen oder Abspülen der verbleibenden Verunreinigungen, vorwiegend Mattierungsmittel, Pigmente und vernetztes Polymer, kann jede beliebige Flüssigkeit verwendet werden. Aus Kostengründen und wegen der einfacheren Entsorgung kommt in der Praxis nur Wasser in Betracht. Da die Filterkerzen üblicherweise nach der Reinigung und vor der Wiederbenutzung einigen Qualitätsprüfungen unterworfen werden und hierfür ausgebaut werden müssen, empfiehlt es sich die Filterkerzen bereits nach der Hydrolysestufe auszubauen und Filtergehäuse und jede einzelne Filterkerze separat abzusprühen oder abzuspülen. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Filterkerzen schonend und vollständig von Rest-Verunreinigungen befreit werden. Das Absprühen oder Abspülen erfolgt vorzugsweise mit handelsüblichen Hochdruckvorrichtungen. Die danach anhaftende Flüssigkeit wird durch Abblasen oder vorzugsweise durch bloße Lagerung an der Luft entfernt.

Nach Prüfung der Filterkerzen und erneutem Einbau dieser ist die Filtrationsvorrichtung für den Wiedereinsatz zur Polymerschmelze-Filtration bereit.

Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für Filtrationsvorrichtungen, wie die im US-Patent 5 456 828 beschriebene.

Diese Filtrationsvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Rohrbündelwärmetauscher mit in jedem Wärmetauscherrohr je einer, unter Ausbildung eines Ringspaltes eingesetzten und über eine lösbare Verbindung am oberen Ende befestigten Filterkerze sowie Kanälen für Polymerschmelze-Nebenströme. Um sicherzustellen, daß in diesem Fall auch die lösbare Verbindung (Gewinde oder Bajonett) vollständig gereinigt wird, empfiehlt es sich, diese Verbindung vor der Hydrolysestufe zu lösen und die Filterkerzen lose in die Wärmetauscherrohre einzuhängen.

Eine mit 0,35 Gew% Titandioxid mattierte Polyethylenterephthalat-Schmelze (Intrinsic Viskosiät 0,65 dl/g) wurde vor Eintritt in eine Schmelzspinnanlage mit Hilfe einer Filtrationsvorrichtung nach US-Patent 5 456 828 A mit 37 Filterkerzen (15 μm, Fläche pro Kerze 0,51 m²) bei etwa 283 °C kontinuierlich filtriert. Nach etwa 2,5wöchiger Betriebszeit wurde eine Reinigung der Filtrationsvorrichtung erforderlich.
Die zu filtrierende Polymerschmelze wurde nun in die saubere, gleichartige, parallele Filtrationsvorrichtung geleitet und die verunreinigte Filtrationsvorrichtung unter Beschleierung mit etwa 100 mbar Überdruck Stickstoff entleert. Die Heizleistung wurde hierbei gegenüber der Filtrationsstufe nicht verändert, so daß sich in der Vorrichtung eine mit fortschreitender Entleerung bis auf etwa 288 °C ansteigende Temperatur einstellte.
Nach 8stündiger Entleerung wurde die Stickstoff-Beschleierung abgestellt, der Filterdeckel geöffnet, die Verschraubung der Filterkerzen gelöst, ohne die Filterkerzen zu entnehmen, und danach die Filtervorrichtung wieder verschlossen. Nunmehr wurde von oben nach unten kontinuierlich auf etwa 150 mbar entspannter 6 bar-Wasserdampf durch die Filtrationsvorrichtung geleitet, wobei die Temperatur im Filter etwa 295 °C betrug. Die Wasserdampfzufuhr wurde so eingestellt, daß die Filtrationsvorrichtung vollständig mit Dampf gefüllt war und neben Kondensat stets etwas Dampf wieder aus der Vorrichtung austrat.
Nach 60 h (Erfahrungswert) wurde die Wasserdampf-Zufuhr unterbrochen, der Filter geöffnet und die Filterkerzen entnommen. Sowohl die Gehäusewandungen einschließlich der Wärmtauscherrohre als auch die Filterkerzen waren frei von Polymer und lediglich mit einem dünnen schlammartigen Belag bedeckt, der mühelos mittels einer Wasserstrahldüse abgespült werden konnte. Danach waren Gehäuse und Filterkerzen metallisch rein und konnten nach Überprüfung der Filterkerzen auf gleichmäßige Durchlässigkeit und auf Druckverlust erneut zur Polymerfiltration eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur hydrolytischen Reinigung einer verunreinigten, mehrere Filterkerzen enthaltenden und zuvor zur Filtration von Schmelze eines hydrolysierbaren Polymers, wobei als Polymerschmelze eine Polyester-, Polyamid- oder Polycarbonat-Schmelze verwendet wird, bei der Temperatur t_p benutzten Filtrationsvorrichtung, wobei a) ein Teil der in der Filtrationsvorrichtung verbliebenen Polymerschmelze bei einer Temperatur gleich t_p –10°C bis t_p +10°C aus der Vorrichtung abgelassen wird, b) der restliche Teil der Polymerschmelze mit Hilfe von kontinuierlich zu- und abgeführtem Wasserdampf bei einer Temperatur gleich t_p bis t_p +35°C während mindestens 48 h hydrolysiert wird, wobei die Filtrationsvorrichtung vollständig mit Dampf gefüllt ist, und die Hydrolyseprodukte aus der Filtrationsvorrichtung ausgetragen werden, und c) die danach verbleibenden Verunreinigungen durch Absprühen oder Abspülen mit einer Flüssigkeit entfernt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen der Verfahrensschritte a) und b) 320°C nicht überschreiten.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verfahrensschritt a) unter Inertgas-Atmosphäre erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit des Verfahrensschritts c) Wasser ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasserdampf des Verfahrensschritts b) der Dampf eines der Polymerschmelze zugrundeliegenden Monomers beigemischt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach Verfahrensschritt b) die Filterkerzen der Filtrationsvorrichtung entnommen werden und sowohl das Filtrationsgehäuse als auch jede einzelne Filterkerze separat dem Verfahrensschritt c) unterworfen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Verfahrensschritt a) die Verbindung jeder einzelnen Filterkerze gelöst wird, und die Filterkerzen während Verfahrensschritt b) lose in das jeweilige Wärmetauscherrohr gehängt werden.