EP1265732A1 - Verfahren zum granulieren von thermoplastischen polymeren - Google Patents

Verfahren zum granulieren von thermoplastischen polymeren

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EP1265732A1
EP1265732A1 EP01913869A EP01913869A EP1265732A1 EP 1265732 A1 EP1265732 A1 EP 1265732A1 EP 01913869 A EP01913869 A EP 01913869A EP 01913869 A EP01913869 A EP 01913869A EP 1265732 A1 EP1265732 A1 EP 1265732A1
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EP
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polymer powder
extruder
polymer
temperature
heat treatment
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EP01913869A
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Michael Witt
Rainer Anderlik
Jürgen Hofmann
Thomas Kessler
Farid Rizk
Wolfgang Bickel
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Basell Polyolefine GmbH
Original Assignee
Basell Polyolefine GmbH
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    • B29K2023/00—Use of polyalkenes or derivatives thereof as moulding material
    • B29K2023/10—Polymers of propylene
    • B29K2023/12—PP, i.e. polypropylene

Definitions

  • the present invention relates to a method for granulating thermoplastic polymers, in particular thermoplastic polyolefms, in which the polymer powder produced in the polymerization reactor is melted and homogenized in an extruder, then pressed through an extrusion die and then cooled and comminuted
  • thermoplastic polymers The granulation of thermoplastic polymers is known and serves to homogenize the polymer and, if necessary, to incorporate additives and additives such as stabilizers, colorants, agents for improving the mechanical properties, fillers and the like into the polymer.
  • additives and additives such as stabilizers, colorants, agents for improving the mechanical properties, fillers and the like into the polymer.
  • the handling of the thermoplastic polymers during transport can be and further improve processing by granulation compared to handling powder
  • the addition of polymer powder to the extruder is particularly important in a so-called compounding process Temperature that corresponds to the ambient temperature, usual. This is due in particular to the intermediate storage of the polymer powder in silo systems and to the transport methods via pneumatic front systems, with the powder generally being completely cooled to ambient temperature
  • the object of the present invention was to provide a method for granulating thermoplastic polymers in which the effectiveness of the homogenization during the granulation is increased at a constant throughput or in which the machine load can be reduced, which is noticeable by reduced susceptibility to repairs and reduced downtimes , or in which the product throughput of existing pelletizing plants can be increased while maintaining the homogenization performance.
  • the heat treatment according to the invention is preferably carried out with such an intensity that the temperature of the polymer powder rises to a value in the range from 5 to 30 K below the melting temperature of the polymer, preferably in the range from 10 to 20 K.
  • the heat treatment according to the invention can be implemented in a wide variety of ways, for example the polymer powder can be heated with steam and then dried with hot air, or it can be passed through an externally heated tube.
  • the polymer powder is heated in a bulk material heat exchanger, as described in the journal Chemietechnik (1999) No. 4, page 84.
  • the mass flow is controlled by an oscillating conveyor and the polymer powder flows through heated metal plates.
  • the thermal energy required for the heat treatment according to the invention can advantageously be applied according to the invention by waste heat which is inexpensively available on the production site.
  • a good example of such The exothermic polymerization reaction is waste heat, which releases large amounts of heat.
  • the thermal energy required for the method according to the invention can also be made available at low cost from the cooling of other production plants
  • Standard polymers such as polyolefins, polyesters or polyamides, but preferably polyethylene or polypropylene, have proven to be advantageous polymers which can be granulated particularly well by the process according to the invention.
  • the temperature of the polymer powder according to the invention when added to the extruder, is preferably in the range from 80 to 100 ° C, while a temperature of 100 to 120 ° C is particularly suitable for polypropylene
  • the amount of energy required to heat an HDPE powder from 20 ° C to 100 ° C is 42.4 kcal / kg powder (source "Specific heat of low pressure polyethylene ', H Wilski, Kunststoffe 50 (5) 1960)
  • a granite extruder with a capacity of 6 t / h requires a specific total energy input of 0.2 kWh / kg HDPE if the powder has an initial temperature of 20 ° C.
  • 0.05 kWh / kg is used to heat the powder at 20 to 100 ° C, i.e. around 25%, based on the total quantity.
  • This reflects the theoretically maximum achievable savings potential, which, however, cannot be fully realized in practice
  • the above-mentioned pelletizing extruder with electricity costs of around 9.0 pfennigs per kWh per year, causes operating costs of 950 TDM. If polymer powder is supplied at a temperature of 100 ° C, these operating costs can be reduced by 20%.
  • the energy of 0.05 kWh / kg must be introduced in another way, for example using very inexpensive steam (process heat).
  • the preheating of the polymer powder can alternatively also increase the machine's output.

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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 granuliert. Nach der Erfindung wird das Polymerpulver vor der Aufgabe auf den Extruder einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch die Aufgabe des Polymerpulvers auf den Extruder so bei erhöhter Pulvertemperatur erfolgt. Die Erfindung eignet sich besonders zur Granulierung von Polyethylen oder Polypropylen.

Description

Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren, insbesondere von thermoplastischen Polyolefmen, bei dem das in dem Polymerisationsreaktor hergestellte Polymerpulver in einem Extruder aufgeschmolzen und homogenisiert, dann durch eine Extrusionsduse gepresst und danach abgekühlt und zerkleinert wird
Die Granu erung von thermoplastischen Polymeren ist bekannt und dient dazu, das Polymer zu homogenisieren und ggf Zuschlagstoffe und Additive wie Stabilisatoren Farbemittel, Mittel zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, Füllstoffe und ähnliche mehr in das Polymer einzuarbeiten Außerdem lasst sich die Handhabung der thermoplastischen Polymeren bei Transport und Weiterverarbeitung durch Granuherung erheblich gegenüber der Handhabung von Pulver verbessern
Neben der direkten Kopplung von Polymerisation und Granuherung, bei der das Polymerpulver normalerweise noch über Restwarme aus dem Polymeπsationsprozess verfugt 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 hegt insbesondere an der Zwischenlagerung des Polymerpulvers in Siloanlagen und an den Transportmethoden über pneumatische Fordersysteme, wobei im allgemeinen eine vollständige Abkühlung des Pulvers auf Umgebungstemperatur eintritt
Bei der Compoundierung wird also in aller Regel Polymerpulver dem Extruder bei Umgebungstemperatur als Schuttgut 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 Granulierver- fahren sind allerdings im Hinblick auf ihre Durchsatzleistung, die damit verbundene Maschinenbelastung und die Produktqualltat des Granulats noch verbesserungswurdig 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 Aufgabe auf den Extruder einer Wärmebehandlung unterzogen wird und dass die Aufgabe des Polymerpulvers auf den 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 Abwarme ist die exotherme Polymeπsationsreaktion, die große Wärmemengen freisetzt Alternativ kann die für das erfindungsgemaße Verfahren benotigte Wärmeenergie auch aus der Kühlung anderer Produktionsanlagen zu niedrigen Kosten zur Verfugung gestellt werden
Als vorteilhafte Polymere, die mit dem erfindungsgemaßen Verfahren besonders gut granuliert werden können haben sich insbesondere Standardpolymere wie Polyolefine Polyester oder Polyamide, vorzugsweise aber Polyethylen oder Polypropylen erwiesen Bei Polyethylen hegt die erfindungsgemaße Temperatur des Polymerpulvers bei der Zugabe zum Extruder vorzugsweise im Bereich von 80 bis 100 °C, wahrend bei Polypropylen eine Temperatur von 100 bis 120 °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 erwarmen betragt 42,4 kcal/kg Pulver (Quelle „Spezifische Warme von Niederdruck Polyethylen ', H Wilski, Kunststoffe 50 (5) 1960)
Nach Umrechnung ergibt dies einen Wert von 0,049 kWh/kg
Ein Granuherextruder mit einer Kapazität von 6 t/h benotigt einen spezifischen Ge- samtenergieeintrag 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 Betriebskosten in Höhe von 950 TDM. Bei Zufuhr von Polymerpulver mit einer Temperatur von 100 °C können diese Betriebskosten 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

Patentansprüche
Verfahren zum Granulieren von thermoplastischen Polymeren, insbesondere von thermoplastischen Polyolefinen, bei dem das in einem Polymerisationsreaktor hergestellte Polymerpulver in einem Extruder aufgeschmolzen und homogenisiert, dann durch eine Extrusionsduse gepresst und granuliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver vor der Aufgabe auf den Extruder einer Wärmebehandlung unterzogen wird und dass die Aufgabe des Polymerpulvers auf den Extruder bei erhöhter Pulvertemperatur erfolgt
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
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
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver vor der Aufgabe auf den Extruder mit Wasserdampf erhitzt und anschließend mit Heißluft oder heißem Stickstoff getrocknet wird
5 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver vor der Aufgabe auf den Extruder durch eine von außen beheizte Rohre geleitet wird Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver vor der Aufgabe auf den Extruder in einem Schuttgut- Warmeubertrager erhitzt wird, wobei der Massenstrom durch einen Schwingförderer gesteuert wird und das Polymerpulver beheizte Metallplatten durchströmt
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Wärmebehandlung des Polymerpulvers benotigte Wärmeenergie durch preiswert auf Fabnkationsgelanden zur Verfugung stehende Abwarme aufgebracht wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Granuherung von Standardpolymeren wie Polyolefinen, Polyester oder Polyamiden eingesetzt wird, vorzugsweise zur Granuherung von Polyethylen oder Polypropylen
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