"Verfahren zur thermischen Behandlung von Polyesterpellets, um eine Teilkristallisation zu erreichen"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Polyesterpellets, um eine Teilkristallisation zu erreichen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 3.
Als Ausgangsmaterial für u. a. Folien und Verpackungen sowie Gefäße kommen aromatische Polyester- oder Copolyester, insbesondere Polyethylenterephthalat und dessen Copolymere, Polybutylenterephthalat und dessen Copolyester sowie PoIy- trimethylenterephthalat und Polyethylennaphthalat als Granulate zur Verarbeitung. Zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden alle diese Polyester und Copolyester allgemein als Polyester bezeichnet.
Aus der nachveröffentlichten WO 2005/044901 A1 (BKG) ist ein gattungsbildendes Verfahren zur thermischen Behandlung von Polyesterpellets bekanntgeworden, bei welchem direkt nach einer Unterwassergranulation z. B. in einem „Unterwasser-Heiß- abschlag-Granuliersystem" die gerade hergestellten Pellets sehr schnell von Wasser befreit werden und unter Nutzung der Eigenwärme trocknen und kristallisieren. Um ein Verkleben der Pellets zu vermeiden, werden die Pellets unmittelbar nach dem Abschleudern des Wassers über einen Vibrations- oder Schwingförderer nach einer ausreichenden Verweildauer einer nachgeschalteten Abfüllanlage oder einem Festphasenpolykon- densator zugeführt. Bei einem solchen Verfahren erfolgt der Kristallisationsvorgang von innen nach außen im Pellet, womit eine gleichmäßigere Kristallisation über den Durchmesser des Granulates erreicht wird. Bei diesem Verfahren wird also die
Kristallisation ausschließlich unter Nutzung der Eigenwärme aus dem Schmelzezustand des Polymers bewirkt, und das bedeutet, daß den Pellets zwischen der Granulation und der nachgeschalteten Abfüllanlage oder Weiterverarbeitungsanlage keine Wär- me von außen zugeführt wird. Hierdurch unterscheidet sich das
Verfahren gemäß der WO 2005/044901 A1 grundsätzlich von den übrigen im Stand der Technik bekannten Verfahren.
So wird in der GB 1 250 690 A ein Verfahren zur Herstellung von Polyethylentherephthalatgranulaten beschrieben. Hierzu wird das Ausgangsmaterial als in üblicher Schmelzkondensation hergestellte, etwa 280° heiße Polyesterschmelze einem Unterwassergranulator zugeführt, wobei der aus der Düse gedrückte heiße Kunststoffstrang von einem aus einer Ringdüse kommen- den Wasserstrahl erfaßt und abgekühlt wird. Weiterhin wird dieser Strang dann durch eine Unterwasserkühlstrecke einer
Schneidvorrichtung zugeführt. Im Anschluß an die Schneidvorrichtung läuft das Granulat über ein Sieb, welches den Festkörper vom Wasser trennt, wobei das Waser über einen Kühler im Kreislauf geführt wird. Das nasse Granulat kann nach seiner Trocknung zur thermischen Nachkondensation eingesetzt werden. Dieses Granulat ist insbesondere, wenn es in einer thermischen Nachkondensation bei über 200° C behandelt wird, in festem Zustand für den Spritzguß geeignet.
Wesentlich bei diesem Prozeß ist, daß das im Stranggranulationsverfahren (Unterwasser-Kaltabschlag-Granuliersystem) hergestellte und daher weitgehend abgekühlte Produkt für irgendeine weitere thermische Behandlung, also auch für die Teilkristallisation, von Neuem aufgeheizt werden muß, also ei- nen erheblichen Aufwand an Energie erfordert, die bei dem voraufgehenden Kühlverfahren verlorengegangen ist.
Aus der US-PS 5 540 868 ist es bekannt, wie mit unterschiedlichen Granulierungsverfahren aus amorphem Polyester kristalli- ne Pellets hergestellt werden können. Dazu muß das amorphe
Polyestervorprodukt auf Temperaturen über 70° erhitzt werden, um den Kristallisationsprozeß auszulösen. Jedoch hat das amorphe Polyester bei Temperaturen über 70° den Nachteil, daß es eine klebrige Oberfläche aufweist. Um ein Verkleben oder Verklumpen des amorphen Polyesters bei Kristallisationstemperaturen von über 70° C zu verhindern, muß das Vorprodukt als Granulat vorliegen und kann in einem Wirbelbettreaktor durch entsprechende Heißgasströme in Bewegung gehalten werden, bis zumindest die Oberfläche so weit auskristallisiert ist, daß ein Verkleben der Vorprodukte ausgeschlossen ist.
- A -
Während amorphes Polyester transparent ist, ist die kristalline Phase an der weißen Einfärbung deutlich zu erkennen. Üblicherweise wird zur Überwindung der Klebrigkeit von amorphem Polyester der Kristallisationsvorgang des Vorproduktes mit der weiteren verstärkten Polykondensation, die üblicherweise zwischen 200 - 230° in einem Wirbelbettreaktor durchgeführt wird, verbunden. Dazu wird der Reaktor derart gefahren, daß zunächst zur Überwindung der Klebrigkeit, eine Kristallisation bei einer optimalen Kristallisationstemperatur von ungefähr 150° C für mehrere Stunden gefahren wird und danach die Pellets oder
Granulate für weitere Stunden zur höheren Kettenlänge bei Temperaturen zwischen 200 - 230° kondensiert werden.
In der ebenfalls nachveröffentlichten DE 10 2004 050 356 A1 wird nicht das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. In der
Entgegenhaltung heißt es vielmehr im Anspruch 11 , daß die Postgranulatoranlage einen wärmeisolierenden Behälter umfaßt.
Welcher Verfahrensschritt mit diesem wärmeisolierenden Behäl- ter durchgeführt werden soll, wird auf Seite 3 am Ende des Absatzes 0010 erläutert, wo es heißt:
Das heiße Granulat kann auch in einem wärme- heibehaltenden Zustand, zum Beispiel in einem wärmeisolierenden Behälter, gelagert werden, um den gewünschten Kristallisationsvorgang zu vollziehen.
Es erfolgt also keine Förderung des Granulats durch den wär- meisolierenden Behälter, sondern das Granulat wird in dem Behälter gelagert und man hofft, daß diese Lagerung zu einer
Kristallisation der Granulate führen soll, ohne daß diese miteinander verbacken und verkleben. Außerdem sollen die Granulate in einem wärmebeibehaltendem Zustand gehalten werden, d. h. sie sollen weder abkühlen noch sich erwärmen.
Abgesehen davon, daß eine Lagerung der den Trockner verlassenden heißen Granulate ohne eine Bewegungseinrichtung oder ohne eigene Bewegung nur zum Zusammenkleben der Granulate führen wird, beinhaltet die Lehre dieser Literaturstelle nicht die Verfahrenslehre gemäß der vorliegenden Anmeldung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsbildende Verfahren, bei welchem die Teilkristallisation durch die Eigenwärme des Pellets von innen nach außen er- folgt, so zu verbessern, daß noch einmal eine weitere Vereinfachung des Verfahrens erreichbar ist.
Hierzu wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Behandlungseinrichtung, die in der WO 2005/0044 901 A1 als Be- wegungseinrichtung definiert ist, als wenigstens leicht geneigt bis vertikal ausgerichteter Kristallisationsreaktor ausgebildet ist, in welchem die Pellets mit einer Temperatur von größer als 100° aufgegeben werden, diesen Reaktor von der Aufgabestelle zur Abgabestelle durchwandern und diesen Kristallisations- bereich mit einer Temperatur von größer als 130° C verlassen.
„Leicht gneigt" bedeutet, daß der Reaktor nicht waagerecht steht bzw. liegt, sondern eine Neigung gegenüber der Horizontalen aufweist, die bis zu 90° gehen kann.
Es wurde überraschend gefunden, daß durch den exothermen Vorgang innerhalb des Reaktors ein Verkleben der Pellets verhindert wird, obgleich die Pellets innerhalb des Reaktors relativ dicht gelagert sind und nur aufgrund ihres Eigengewichtes den Reaktor durchwandern. Die Verweilzeit der Granulate im Reaktor liegt zwischen größer 1 Minute und vorzugsweise 8 Minuten und anschließend werden die teilkristallisierten Granulate der nachfolgenden Behandlungseinrichtung, z. B. einem Festpha- senpolykondensator, einem Silo od. dgl. aufgegeben.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Kristallisationsreaktorröhre vorgesehen wird, in der die Pellets aufgrund des Eigengewichtes vom Aufgabeende zum Ab- gabeende fließen. Die Reaktorröhre kann ohne Einbauten arbeiten oder Einbauten aufweisen, die eine Führung des Granulates bewirken, die zu einer Vergleichmäßigung des Kristallisationsvorganges führen. Hierbei kann gemäß einer weiteren Ausführungsform innerhalb des Reaktors auch eine rotierende paddel- tragende Welle vorgesehen sein, die eine Durchmischung der
Pellets bewirkt.
Vorzugsweise ist der Reaktor wärmeisoliert und die Weiterförderung der Granulate zwischen dem Abgabeende des Reaktors und der anschließenden Nachbehandlungseinrichtung oder einem Silo erfolgt z. B. über ein in die Förderleitung eingeschaltetes Gebläse.
Die Granulate durchwandern den Reaktor dichtgepackt, d. h. die unten abgezogene Granulatmenge wird oben ständig nachge-
füllt. Die Menge des abgezogenen Granulates ist zudem regelbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung ist mit 1 eine Schmelzepumpe und ein Siebwechsler bezeichnet, dem entsprechend Pfeil Fi ein Polyester zugeführt wird. Am Ausgang des Siebwechslers ist ein Unter- wasser-Heißabschlag-Granulator 2 vorgesehen, durch den kugel- oder linsenförmige Granulate hergestellt werden. Diese Granulate werden mittels Prozeßwasser über eine Förderleitung zu einer Wasser-Feststofftrennvorrichtung 3, z. B. einer Zentrifuge, geführt. Die Granulate verlassen dann die Wasser-Fest- Stofftrennvorrichtung 3 über eine Förderleitung 4 mit einer Temperatur von über 100° C und werden einem Kristallisationsreaktor 5 aufgegeben, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als vertikal stehender Reaktor ausgebildet ist. In gleicher Weise kann aber auch ein wenigstens leicht geneigt angeordneter Re- aktor vorgesehen werden. Die Granulate durchwandern den Reaktor 5 von der Aufgabestelle oder dem Aufgabeende zum ■Abgabeende, an das sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Fördervorrichtung 6 anschließt, die die Granulate unter Zuhilfenahme z. B. eines Gebläses einem Festphasenpoly- kondensator 8 zuführen.
In Fig. 2 ist ebenfalls ein aufrecht stehender Kristallisationsreaktor 5a dargestellt, der eine Welle 9 aufweist, die mit Paddeln 10 besetzt ist und über einen Antriebsmotor 11 in Umdrehung ver- setzt wird. Auch dieser Reaktor 5a kann auch leicht geneigt aufgestellt werden.
In beiden Fällen ist der Reaktor mit einer Wärmeisolation versehen, die aber nicht zwingend notwendig ist.
In der Zeichnung sind Temperaturangaben und Verweilzeiten angegeben, wobei die folgende Bedeutung vorgesehen ist:
PW = Prozeßwassertemperatur GT = Granulattemperatur VZ = Verweilzeit
Es ist erkennbar, daß die dem Unterwasser-Heißabschlag- Granulator zugeführte Granulattemperatur über 230° liegt. Die Prozeßwassertemperatur in der Förderleitung zwischen dem Granulator 2 und der Wasser-Feststofftrennvorrichtung 3 liegt über 80° und die Granulate verlassen die Fördereinrichtung 4 mit einer Granulattemperatur von über 100° C.
Die Verweilzeit der Granulate im Reaktor 5 liegt höher als eine Minute und beträgt vorzugsweise acht Minuten.
Während die Granulateintrittstemperatur in den Reaktor 5 bei größer als 100° liegt, liegt die Granulattemperatur am Abgabeende des Reaktors 5 höher als 130° C, ohne Zugabe von Energie, um z. B. die Granulate anschließend zu temperieren.
Auch die Eintrittstemperatur der Granulate in den Festphasen- polykondensator 8 liegt vorzugsweise höher als 130°.
Bei diesen Temperaturangaben handelt es sich um die Oberflächentemperatur der Granulate.
Bei einem Ausführungsbeispiel hatte der Kristallisationsreaktor eine Höhe von 1 m, einen Innendurchmesser von 270 mm und verengte sich am Austrag auf 100 mm. Diese Austragsöffnung war in ihrer Größe zudem regulierbar. Der Reaktor stand aufrecht, d. h. war vertikal ausgerichtet.