WO2024062000A1

WO2024062000A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernung von volatilen störstoffen aus kunststoffabfällen

Info

Publication number: WO2024062000A1
Application number: PCT/EP2023/076002
Authority: WO
Inventors: Lars HELMLINGER; Kersten KURDA; Johannes RUDLOFF
Original assignee: SKZ - KFE gGmbH
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2023-09-21
Publication date: 2024-03-28
Also published as: DE102022124540A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen mit einer Abfolge folgender Schritte: - zerkleinerte Kunststoffabfälle werden zu einem Polymerstrom aufgeschmolzen (16), - anschließend wird dem Polymerstrom in einem Extraktionsprozess unter Druck ein Fluid als Schleppmittel zugeführt (24), um den Austrag der Störstoffe zu unterstützen, - das Fluid wird am Ende des Extraktionsprozesses von dem Polymerstrom abgeführt (26), wobei der Anteil des Fluids relativ zum Polymerstrom wenigstens 3 Gew.-% beträgt. Erfindungsgemäß wird - das Fluid oberhalb seines Dampfdrucks bei Prozesstemperatur des Extrusionsprozesses dem Polymerstrom zugeführt, - das Fluid wird in dem Extraktionsprozess auf 100-200% des Fluid-Dampfdruckes bei Prozesstemperatur des Polymerstroms gehalten, und - das Fluid verbleibt über eine Dauer von wenigstens (5) s in dem Polymerstrom. Dieses Verfahren extrahiert Störstoffe unter einem über dem Dampfdruck des Fluids liegenden Druck und führt damit zu deren wirkungsvolleren Entfernung aus Kunststoffabfällen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen.

Das Entgasen von Polymerschmelzen stellt einen wichtigen Prozessschritt bei der Herstellung und Aufbereitung von Kunststoffen dar. Ziel ist hierbei das Abtrennen von niedermolekularen volatilen Störstoffen aus der Schmelze. Die zu entfernenden Stoffe können aus der Polymerisation stammen, im Prozess durch Materialabbau entstehen oder Verunreinigungen des Kunststoffs darstellen. Eine spezielle Herausforderung im Hinblick auf die Entgasung stellen Recyclingprozesse dar. Aufgrund von Verunreinigungen, vor allem bei Post-consumer Abfällen (PCA), sind hier besonders große Mengen bzw. ein besonders breites Spektrum an flüchtigen Substanzen aus der Schmelze zu entfernen. Diese Substanzen unterscheiden sich sowohl im Molekulargewicht bzw. ihrem Siedepunkt als auch in der Polarität. Diese Stoffe sind auch die Ursache für den typischen schlechten Geruch von einigen Recyclaten und beschränken deren weitere Einsatzmöglichkeiten. Ferner können die Substanz zu Werkzeugablagerungen bei der Verarbeitung führen oder in der Anwendung aus dem Kunststoff migrieren und so Fogging verursachen oder Lebensmittel kontaminieren.

Die Kunststoffabfälle werden im Rahmen der Wiederaufbereitung aufgeschmolzen und meist in einem Extrusionsprozess aufbereitet, wobei zur Entfernung der volatilen Störstoffe ein Fluid als Schleppmittel zugeführt werden kann, welches dazu dienen soll, die Störstoffe aus der Schmelze im Extruder effektiver zu entgasen. Das Schleppmittel dient lediglich dabei dem physikalischen Effekt der Partialdruckerniedrigung in der Entgasungszone. Das inerte Schleppmittel bindet nicht die Störstoffen aufgrund der zu kurzen Verweilzeit des Schleppmittels in der Schmelze. Das Fluid wird dann an einer weiter hinten liegenden Stelle des Extruders angereichert mit den Störstoffen abgeführt, so dass die von Störstoffen weitgehend gereinigte Kunststoffschmelze im Extruder zur weiteren Behandlung, zum Beispiel zur Herstellung von neuen Produkten, oder zur Herstellung von Kunststoffgranulat als Ausgangsmaterial verwendet werden kann.

Ein Problem in diesem bekannten Verfahren besteht darin, dass das Fluid und dessen Verweilzeit bislang in vielen Fällen nicht ausreicht, um die Störstoffe zumindest soweit aus der Kunststoffschmelze zu entfernen, dass das am Ende recycelte Produkt weitgehend geruchsneutral ist. Deshalb werden zur Verbesserung des Geruchs teilweise Nachfolgeaggregate eingesetzt werden. Dabei wird das Kunststoffgranulat nach dem Recyclingextruder in einem Reaktor mit erhitzter Luft umspült. Da es sich um einen eigenständigen Prozess mit zusätzlicher Verfahrenstechnik zur Behandlung von Granulaten und mit einer Verweilzeit von mehreren Stunden handelt, ist eine derartige Nachbereitung des Recyclats zeitaufwendig und kostspielig.

Eigene Untersuchungen mit vergleichsweise besseren Entgasungsaggregaten (gleichläufiger Doppelschneckenextruder) und unter Einsatz von Vakuum- bzw. Schleppmittelentgasung erzielten vergleichsweise gute Ergebnisse. Am besten schnitt dabei die Schleppmittelentgasung mit Wasser ab. Wie durch Kapfer (1992) und Barth (1992) beschrieben, ist allerdings ab einer bestimmten Menge an Schleppmittel, aufgrund der starken Abkühlung der Schmelze im Bereich der Einspritzung und der Entgasung, keine zusätzliche Verbesserung mehr zu beobachten (vgl. Fig. 2). Folglich nimmt die Effektivität durch das Schleppmittel bei hohen Gewichtsanteilen stark ab.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Entfernen von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die eine effizientere Reinigung des recycelten Kunststoffs von den Störstoffen ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der zugeordneten abhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind auch in der Beschreibung und in den Zeichnungen beschrieben.

Die Erfindung greift die Idee der Schleppmittelentgasung auf und führt diesen Prozess weiter, um bessere Entgasungsleistungen als bisher möglich zu erreichen. Der Prozess ist somit als eine Kombination aus Extraktion und Schleppmittelentgasung zu betrachten und nutzt sowohl Konzentrationsunterschiede der Störstoffe (Extraktion) als auch Partialdruckunterschiede (Entgasung) als Triebkräfte für die Entfernung der Störstoffe (z. B. Volatie-Organic- Compounds (VOC), Aliphatische Kohlenwasserstoffe, Abbau-/Oxidationsprodukte, Rückstände von Initiatoren, Weichmacher, Produktrückstände, Prozesshilfsmittel). Da dies einen bisher nicht beschriebenen Prozess unter Verwendung von Fluiden auf dem Extruder, insbesondere Doppelschneckenextruder (DSE) darstellt, wurde für diese erfindungsgemäße Art der Aufbereitung der Begriff „Molecular Washing" gewählt. Dieser Begriff soll die verlängerte Verweilzeit des Fluids in der Schmelze beschreiben und gleichzeitig den Übergang von niedermolekularen Störstoffen in die flüssige Phase (ähnlich einem Waschprozess) hervorheben. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dort der physikalische Prozess zur Störmittelentfernung ein anderer ist als beim Stand der Technik. Während bei dem Stand der Technik die Entgasung mittels des Schleppmittels lediglich auf einer Partialdruckabsenkung basiert, welche die Entgasung der volatilen Störstoffe aus der Schmelze begünstigt, wird durch die Kombination von hohem Fluiddruck und längerer Verweilzeit des Fluids in der Schmelze eine Bindung der Störstoffe an das Fluid und damit eine richtige Extraktion des Störstoffes aus der Schmelze erzielt. Dieser Effekt führt zu einer wesentlich besseren Entgasung als im Stand der Technik.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Entfernung von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen werden wie bisher die Kunststoffabfälle zerkleinert oder bereits zerkleinerte Kunststoffabfälle zu einem Polymerstrom aufgeschmolzen. In einem anschließenden Extraktionsprozess wird dem Polymerstrom unter Druck ein Fluid als Schleppmittel zugeführt, um den Austrag der Störstoffe zu unterstützen, und schließlich wird das mit den Störstoffen angereicherte Fluid aus dem Polymerstrom abgeführt, wobei das Verfahren prozesstechnisch vorteilhaft in wenigstens einem Extruder durchgeführt wird.

Erfindungsgemäß beträgt beim "Molecular Washing" der Anteil des Fluids zum Polymerstrom in dem Extraktionsprozess wenigstens 3 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 5 Gew.-% und das Fluid verbleibt über eine Dauer von wenigstens 5 s, insbesondere wenigstens 10 s, in dem Polymerstrom.

Während, wie aus Fig. 2 ersichtlich, in üblichen Recyclingverfahren der Fluidanteil aufgrund der verringerten Effektivität bei größeren Gewichtsanteilen des Fluids relativ zum Polymerstrom bei etwa 1 Gew.-% liegt und maximal etwa 1 bis 2 s in dem Extruder verbleibt, wird erfindungsgemäß der Anteil des Fluids erheblich erhöht, denn es hat sich herausgestellt, dass der Störstoffaustrag durch diesen deutlich höheren Fluidanteil und durch die deutliche Erhöhung der Durchmischungszeit im Extruder beträchtlich verbessert werden kann. Durch diese Prozessparameter kann eine Reinigung des recycelten Kunststoffs erzielt werden, die letztlich sogar zu einem geruchsneutralem Recyclat führt.

Das Fluid wird dem Polymerstrom unter einem höheren Druck als dem Dampfdruck des Fluids bei der Prozesstemperatur zugeführt. Dies führt zu einer verbesserten Aufnahme der Störstoffe durch das Fluid. Wenn der Zufuhrdruck den Dampfdruck des Fluids überschreitet, und dieser Druck während der Extraktion, z.B. im Extruder beibehalten werden kann, dann verbleibt das Schleppmittel-Fluid nach dem Einführen in den Extruder flüssig. Ein flüssiges Fluid ist in der Lage, deutlich mehr Störstoffe zu binden als ein dampfförmiges Fluid. Insofern wird erfindungsgemäß das Fluid in dem Extraktionsprozess auf einen Dampfdruck von mehr als 100% bei Prozesstemperatur der Polymerschmelze gehalten. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn vor der Entgasungszone eine Abdichtzone ausgebildet ist, die dazu führt, dass der Druck im Extruder bis vor eine Austragszone erhalten bleibt, in welcher das Fluid von dem Polymerstrom abgeführt wird. Die Abdichtzone kann bei einem Extruder beispielsweise ein geringeres Spiel haben, als Rückförderzone ausgebildet sein oder eine geringere Gangsteigung aufweisen oder dergleichen. In der anschließenden Austragszone, die eine Entgasungszone für das Fluid darstellt, wird das Fluid abgeführt, wobei es im Ausgasungsvorgang erst eine schaumförmige Konsistenz zusammen mit dem Polymer einnimmt und schließlich den Extruder dampfförmig verlässt. Auf diese Weise wird sowohl das Fluid als auch die darin aufgenommenen Störstoffe wirksam aus dem Polymerstrom entfernt.

Dieses vollständige Abführen des Fluids und der der Störstoffe kann unterstützt werden durch Abführen des Fluids unterhalb des Atmosphärendrucks, d.h. eine Vakuumentgasung. Das Vakuum beträgt hierbei insbesondere 1-800 mbar, vorzugsweise 10-800 mbar. Dieser Vakuumbereich hat sich als sehr wirkungsvoll im Hinblick auf den vollständigen Austrag des Schleppmittels aus dem Polymerstrom erwiesen.

Vorzugsweise beträgt der Anteil des zugeführten Fluids relativ zum Polymerstrom wenigstens 5 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 50 Gew.-%, insbesondere weniger als 25 Gew.-%. Durch den höheren Fluidanteil findet eine ausgiebige Durchmischung zwischen Polymerstrom und Schleppmittelfluid statt, die dazu führt, dass die Schmelze eine sehr große Kontaktoberfläche mit dem flüssigen Fluid hat, wodurch Störstoffe leichter in das Fluid übertreten und damit sehr wirkungsvoll aus der Schmelze entfernt werden können.

Es ist prinzipiell möglich, das Fluid längere Zeit in dem Extruder in der Durchmischung mit dem Polymerstrom zu halten, wobei sich herausgestellt hat, dass nach einer Kontaktzeit von 2 min, insbesondere 5 min, und insbesondere 10 min, die weitere Lösung von Störstoffen in dem Fluid deutlich abnimmt, so dass aus prozessökonomischen Überlegungen eine Verweilzeit zwischen 5 und 120 s, insbesondere zwischen 10 und 120 s, vorzuziehen ist.

Das als Schleppmittel verwendete Fluid ist vorzugsweise ein herkömmliches Schleppmittel wie beispielsweise Wasser, Stickstoff, Kohlendioxid, Ethanol, irgendein beliebiges anderes Lösungsmittel oder eine Kombination dieser Stoffe entsprechend der Art der Verunreinigung der Polymerschmelze. Vorzugsweise wird dem Fluid ein Oberflächenspannung-reduzierender Stoff, insbesondere ein Tensid, zugegeben, um den Austausch der Störstoffe an der Grenzfläche zwischen Polymerstrom und Fluid und damit die Effektivität des Störstoffaustrags zu verbessern.

Wie bereits oben beschrieben, wird das Fluid unter einem Druck oberhalb des Dampfdrucks des Fluids bei Prozesstemperatur zugegeben, so dass das Fluid in flüssiger Form zugeführt wird, in welcher das Bindungs- und Lösungsvermögen für die Störstoffe gegenüber im dampfförmigen Aggregatzustand deutlich verbessert ist. Wie bereits oben beschrieben, wird in dem Extraktionsprozess das Fluid auf einen Druck von 100 bis 200%, des Fluiddampfdruckes bei Prozesstemperatur der Polymerschmelze gehalten. Auf diese Weise wird vorzugsweise das Fluid über seine gesamte Verweilzeit im Extruder in flüssiger Form gehalten, wodurch das Aufnahmevermögen für die Störstoffe und auch der Störstoffübertrag von der Schmelze an den Grenzflächen zur Schmelze deutlich verbessert sind.

Die Erfindung betrifft in gleicher Weise eine Vorrichtung zur Entfernung von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen, umfassend wenigstens einen Extruder, der folgende Bestandteile aufweist:

- einen Aufgabebereich für zerkleinerte Kunststoffabfälle,

- eine an den Aufgabebereich anschließende Aufschmelzzone mit einer Heizeinrichtung zum Aufschmelzen der zugeführten Kunststoffabfälle zu einem Polymerstrom,

- eine Einspritzzone, die mit einer Fluiddruckzufuhr zur Zufuhr eines fluiden Schleppmittels verbunden ist,

- eine der Einspritzzone nachfolgende Extraktionszone, in welcher der Polymerstrom zusammen mit dem Fluid transportiert wird, und

- eine der Extraktionszone nachgeordnete Entgasungszone, die mit einer Abfuhreinrichtung für das Fluid verbunden ist. Durch eine derartige Grundkonstruktion des Extruders ist eine Reinigung von Kunststoffabfällen mittels eines Schleppmittels möglich.

Erfindungsgemäß ist die Länge der Extraktionszone derart bemessen, dass unter Berücksichtigung der Fördergeschwindigkeit des Extruders eine Verweilzeit des Polymerstrom/Fluid-Gemisches in der Extraktionszone von wenigstens 5 s gewährleistet ist.

Zudem ist erfindungsgemäß am Ende der Extraktionszone vor der Entgasungszone eine Abdichtzone angeordnet, die ausgebildet ist, den Fluiddruck in der Extraktionszone auf einen Wert von 100% bis 200% des Fluid-Dampfdruckes bei Prozesstemperatur des Polymerstroms in der Extraktionszone zu halten. Hierdurch wird das Aufnahmevermögen des Fluids für die Störstoffe verbessert.

Vorzugsweise wird das Fluid in der gesamten Extraktionszone flüssig gehalten, wodurch ein deutlich verbesserter Übergang der Störstoffe aus dem Polymerstrom in das Schleppmittelfluid stattfindet. Versuche haben gezeigt, dass durch die längere Verweilzeit und die Aufrechterhaltung des Drucks in der Extraktionszone, insbesondere oberhalb des Fluiddampfdrucks ein überraschend guter Störstoffaustrag zu verzeichnen ist, der sogar zu geruchsneutralen Recyclaten führen kann.

Vorzugsweise weist die Extraktionszone im Extruder ein Länge/Durchmesser-Verhältnis L/D von mindestens 10 auf, was dazu führt, dass bei herkömmlichen Fördergeschwindigkeiten eine Verweilzeit des Fluids in dem Polymerstrom in der Extraktionszone von wenigstens 5 s realisiert werden kann, ohne den Aufschmelzprozess oder einen gegebenenfalls der Extraktion nachfolgenden Veredelungs- oder Verarbeitungsprozess des Polymerstroms prozesstechnisch zu beeinträchtigen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Extruder mit zwei sukzessiv angeordneten Extruderschnecken auf, und die Schmelz- und Einspritzzone ist im Extruderbereich der ersten Extruderschnecke angeordnet, wohingegen die Extraktionszone und die Entgasungszone im Extruderbereich der zweiten Extruderschnecke angeordnet sind. Eine derartige Anordnung hat sich insbesondere bei Doppelschneckenextrudern als sehr vorteilhaft für die Prozessführung herausgestellt, insbesondere deshalb, weil hierdurch der Aufschmelzprozess des Recyclats in der Aufschmelzzone prozesstechnisch von der Störstoffausfuhr in der Extraktionszone getrennt ist, womit diese beiden Prozesse besser individuell optimiert werden können. Diese vorteilhafte Anordnung mit sukzessiv angeordneten Extrudern ist insbesondere vorteilhaft mit Doppelschneckenextrudern anzuwenden.

Prozesstechnisch vorteilhaft ist die Verwendung einer Extruderschnecke des Extruders, welche ein Schneckenspiel von 0,04 bis 0,2 mm, insbesondere 0,05 bis 0,16 mm, insbesondere 0,06 bis 0,12 mm, pro 10 mm Zylinderdurchmesser hat. Mit einem derartigen Schneckenspiel lassen sich die Druckverhältnisse insbesondere in der Extraktionszone am besten steuern.

Vorzugsweise ist die Abdichtzone als Rückförderzone und/oder Engstelle ausgebildet und/oder hat eine veränderte Gangsteigung, eine reduzierte Gangtiefe, ein reduziertes Schneckenspiel, Stauringe, eine Gewindedrossel und/oder eine veränderte Schneckengeometrie. All diese Ausführungsformen einer Abdichtzone sind per se bekannt und ermöglichen die Steuerung der Druckverhältnisse in beliebigen Abschnitten eines Extruders. Im vorliegenden Fall ist es somit möglich, die Druckverhältnisse in der Extraktionszone hoch zu halten und damit das Fluid insbesondere flüssig zu halten. In der der Abdichtzone folgenden Entgasungszone, das heißt im Bereich der Abfuhreinrichtung, ist es dann möglich, den Druck des Fluids schnell zu senken, so dass das Fluid zuerst über Schaumbildung und dann im dampfförmigen Zustand aus dem Prozess abgeführt wird, was zu einer möglichst rückstandfreien Entfernung sowohl des Fluids als auch der Störstoffe führt. Die Abdichtzone hat im Extruder vorzugsweise ein Länge/Durchmesser-Verhältnis L/D von maximal 4, insbesondere von maximal 3, so dass die Abdichtzone deutlich kürzer ist als die Extraktionszone.

Vorzugsweise ist die Abfuhreinrichtung für das Fluid eine Vakuumabfuhreinrichtung, die in der Lage ist, das Fluid in der Entgasungszone nach der Abdichtzone unterhalb des Atmosphärendrucks abzuführen, was unter Schaum- und anschließend Dampfbildung des Fluids im schnell und effektiv möglich ist.

Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können, solange sich unterschiedliche Merkmale nicht gegenseitig ausschließen.

Folgende Begriffe werden synonym verwendet: Polymerstrom - Polymerschmelze; volatile Störstoffe

- monomere Störstoffe; Fluidabfuhreinrichtung - Vakuum-Fluidabfuhreinrichtung - Abfuhreinrichtung

- Vakuumabfuhreinrichtung; Schleppmittelzufuhr - Druckfluidzufuhr - Fluidzufuhr - Fluideinspritzung - Druckfluideinspritzung;

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Entfernung von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Darstellung des Störstoffaustrags bei Schleppmittelentgasung in Abhängigkeit vom Schleppmittelanteil;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße zweistufige Doppelextruderanordnung mit auf zwei separate Extruder aufgeteilter Schmelz- und Extraktionszone, und

Fig. 4 die Ausbildung der Extraktionszone in einem Doppelschneckenextruder mit vor der Entgasungszone angeordneter Abdichtzone. Fig. 1 zeigt eine Recyclinganlage 10 in Form eines Einschneckenextruders nach dem Stand der Technik. Neben anderen Extrudertypen (z. B. Doppelschneckenextrudern (DSE) oder Multi-Rotation- Systemen) wird diese Technologie vorwiegend für die Aufbereitung von PCA aus dem gelben Sack eingesetzt. Der Einschneckenextruder 10 hat einen Aufgabebereich 12, in welchem zum Beispiel ein Schneidverdichter angeordnet ist. Dieser wird mit den gewaschenen, sortierten und getrockneten eventuell bereits vorbehandelten Kunststoffabfällen beschickt. Im gegebenenfalls vorhandenen Schneidverdichter erfolgt in einem Prozessschritt das Vorwärmen des Materials, eine Homogenisierung und ggf. eine Kompaktierung sowie die weitere Trocknung. Letzteres führt bereits zu einer Art Vorentgasung des Feststoffs über Entgasungsöffnungen 14. In der Aufschmelzzone 16 des Extruders 10 wird der Kunststoffabfall über eine Heizeinrichtung 18 aufgeschmolzen und optional ist eine Schmelzfiltrationseinrichtung 20 vorgesehen, um Feststoffe aus dem Polymerstrom im Bereich der Extruderschnecke 22 zu entfernen. Hinter der Aufschmelzzone 16 ist eine Einspritzzone 24 angeordnet, in welcher über eine Druckfluidzufuhr ein Schleppmittelfluid in den durch die Extruderschnecke 22 transportierten Polymerstrom eingebracht wird. Das Schleppmittelfluid wird in einer nachfolgenden Entgasungszone 25 gemeinsam mit dem Polymerstrom transportiert. Dieses eingebrachte Schleppmittelfluid dient in der Entgasungszone 25 dazu, über den physikalischen Effekt der Partialdruckerniedrigung eine bessere Entgasung der im Polymerstrom enthaltenen volatilen Störstoffe zu erzielen. Diese Störstoffe werden über eine am Ende der Entgasungszone angeordnete Fluidabfuhr 26 aus der Polymerschmelze abgeführt. Am Ausgang 28 des Extruders wird der von den Störstoffen weitgehend befreite Kunststoff granuliert. Hier können sich auch weitere Aufbereitungsmaßnahmen wie zum Beispiel eine Veredelung mit Stabilisatorenprozesshilfsmitteln oder Phasenvermittlern anschließen. In einer derartigen bekannten Vorrichtung findet eine unzureichende Abfuhr der volatilen Störstoffe statt, was dazu führt, dass das Recyclat am Ende des Prozesses oft nicht geruchsneutral ist, was sich bei der nachfolgenden Bearbeitung beziehungsweise beim Endprodukt störend auswirkt.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse von Barth et al. für die Vakuum-Schleppmittelentgasung, die zeigt, dass ab einem Gewichtsanteil des Fluids relativ zum Polymerstrom von 1 bis 1,5 Gew.-% keine wesentliche Verbesserung des Störstoff-Austrags mehr stattfindet.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entfernung volatiler Störstoffe aus Kunststoffabfällen umfassend zwei Doppelschneckenextruder, nämlich einen ersten Doppelschneckenextruder 30, an welchem sich ein zweiter Doppelschneckenextruder 32 anschließt. Beide Doppelschneckenextruder 30, 32 haben zwei Extruderschnecken, die über einen Motor 34 vorzugsweise gleichläufig angetrieben werden. Jeder Doppelschneckenextruder hat ein Extrudergehäuse 36a, 36b, in welchem zwei von dem Motor 34 angetriebene Extruderschnecken (nicht dargestellt) gleichsinnig rotativ angetrieben sind.

Der erste Extruders 30 hat einen Aufgabebereich 38 für zerkleinerte Kunststoffabfälle, durch welche die Kunststoffabfälle zugeführt werden. Dem Aufgabebereich 38, regelmäßig ein Aufgabezylinder, schließt sich eine Aufschmelzzone 40 an, in welcher die zugeführten Kunststoffabfälle durch Scherenergieeintrag mittels der Extruderschnecke und eine Heizeinrichtung 18 aufgeschmolzen werden. Am Ende des ersten Extruders ist eine Einspritzzone 44 ausgebildet, die mit einer Fluidzufuhr 46 verbunden ist, durch welche dem ersten Extruder 30 ein Fluid vorzugsweise oberhalb seines Dampfdrucks bei Prozesstemperatur zugeführt wird. Der mit dem Fluid angereicherte Polymerstrom wird nun von dem ersten Extruder 30 auf den zweiten Extruder 32 überführt. Dort befindet sich die Extraktionszone 48, in welcher der Polymerstrom zusammen mit wenigstens 3 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 5 Gew.-%, des Fluids transportiert und vermischt wird, wodurch Störstoffe von dem Polymerstrom in das flüssige Fluid übertreten. Das Fluid wird vorzugsweise oberhalb des Dampfdrucks gehalten, wodurch es flüssig bleibt und einen intensiveren Übergang der Störstoffe aus dem Polymerstrom mit sich bringt. Die Störstoffe werden somit in der Erfindung aufgrund des höheren Drucks und der längeren Verweilzeit nicht nur mitgerissen sondern richtiggehend extrahiert, d.h. an das Fluid gebunden.

Optional kann zwischen der Einspritzzone 44 und der Extraktionszone 48 eine Filtereinrichtung 42 für die Schmelze angeordnet, um Feststoffe aus dem Polymerstrom abzuziehen.

Am Ende der Extraktionszone 48 ist eine Abdichtzone 50 angeordnet, in welcher eine Engstelle oder eine Rückförderzone oder eine reduzierte Gangtiefe der Extruderschnecke oder dergleichen angeordnet ist, um den Dampfdruck des Schleppmittelfluids im Extraktionsbereich 48 möglichst hoch, insbesondere oberhalb des Dampfdrucks des Schleppmittelfluids zu halten, um dieses im flüssigen Zustand zu halten und damit eine verbesserte Übertragung der Störstoffe von der Polymerschmelze auf das Schleppmittelfluid zu gewährleisten. Der Abdichtzone 50 ist eine Entgasungszone 51 nachgeordnet, die mit einer Abfuhreinrichtung 52 für das Fluid, vorzugsweise einer Vakuumabfuhreinrichtung, verbunden ist. In dieser Entgasungszone 51, schäumt nun das unterhalb des Dampfdrucks fallende oder befindliche Fluid auf und wird effektiv über diesen Entgasungsprozess über die Abfuhreinrichtung aus der Polymerschmelze abgezogen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kombiniert somit Extraktion und Entgasung und liefert durch zu damit optimierten Prozessparameter sehr gute Reinigungsleistungen. Die Polymerschmelze am Ausgang 54 des zweiten Extruder 32 ist somit verhältnismäßig frei von volatilen Störstoffen, sogar in dem Maße, dass das am Ausgang 54 des zweiten Extrudergehäuses 36b austretende Kunststoffrecyclat weitgehend geruchsneutral ist.

Der Vorteil dieser zweistufigen Lösung mit zwei Extrudern 30, 32 besteht darin, dass man die Aufschmelzzone einerseits und die Extraktions- und Aufschmelzzone andererseits räumlich und damit auch prozesstechnisch voneinander trennt, so dass man das Aufschmelzen des Kunststoffabfalls im ersten Extruder 30 optimieren kann, wohingegen man die Extraktion der Störstoffe mittels Extraktion und Entgasung des Fluids im zweiten Extruder 32 optimieren kann. Eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung führt daher zu einem wesentlich verbesserten Austragsverhalten für die in dem Kunststoffabfall vorhandenen volatilen Störstoffe gegenüber dem Stand der Technik. Die Länge der Extraktionszone 48 ist in Verbindung mit der Fördergeschwindigkeit so bemessen, dass das Gemisch von Polymerschmelze und flüssigem Fluid auch bei hohen Durchsätzen mindestens 5 s, vorzugsweise wenigstens 10 s, in der Extraktionszone verbleibt. Die Extraktionszone hat vorzugsweise ein Länge/Durchmesser-Verhältnis L/D von mindestens 10. Die nachfolgende Abdichtzone 50 hat vorzugsweise ein Länge/Durchmesser-Verhältnis L/D von maximal 4 und ist somit wesentlich kürzer als die davorliegende Extraktionszone ausgebildet. Die Entgasungszone sollte vorzugsweise länger als die Abdichtzone 50 sein, um so eine effektive Entgasung des Polymerstroms sicherzustellen. Die Abfuhreinrichtung ist vorzugsweise eine Vakuumabfuhreinrichtung, welche das Fluid mit einem vorzugsweise maximalen Druck von 800 mbar abführt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Doppelschneckenextruders 60. Dieser hat einen Extruderzylinder 62, in welchem zwei Extruderschnecken 64 gleichläufig rotativ laufen. In Fig. 4 ist nur der Bereich der Extruderschnecke zwischen der Einspritzzone 66 und der Abfuhreinrichtung 68 dargestellt, und somit die gesamte Länge der Extraktionszone 70, in welcher das Schleppmittelfluid zusammen mit dem Polymerstrom unter Druck gefördert wird, wobei die Störstoffe effektiv in das, vorzugsweise in flüssiger Form vorliegende Fluid übergehen. Am Ende der Extraktionszone 70 ist eine Abdichtzone 72 angeordnet, um den Druck des Schleppmittelfluids in der Extraktionszone 70 hoch, insbesondere oberhalb des Dampfdrucks des Fluids zu halten und damit sicherzustellen, dass das Fluid flüssig bleibt, was zu einer wesentlich verbesserten Störstoffaufnahme aus der Polymerschmelze führt. Die Abdichtzone 72 kann wie oben bereits ausgeführt, beispielsweise als Rückförderzone, als Zone verengten Durchmessers oder reduzierten Schneckenspiels ausgebildet sein. Des Weiteren können sich dort Stauringe, Gewindedrosseln oder dergleichen befinden. Wie in Fig. 3 gut zu ersehen ist, beträgt das Länge/Durchmesser-Verhältnis der Extraktionszone mehr als 15, während das Länge/Durchmesser- Verhältnis L/D der Abdichtzone 72 in etwa 2 beträgt. Der Abdichtzone 72 folgt eine mit einer Fluidabfuhreinrichtung verbundene Entgasungszone 74 nach, in welcher der Druck im Fluid stark absinkt, so dass in diesem Bereich das Fluid aufschäumt und schließlich über die Abfuhreinrichtung 68 vorzugsweise unter Vakuum (unterhalb Atmosphärendruck) abgezogen wird. Somit ist hier auch eine effektive Fluidabfuhr und damit Störstoffabfuhr gewährleistet. Die Kombination aus Extraktion 70 und Entgasung 74 führt hierbei zu einer besonders effektiven Störstoffaustrag aus dem Polymerstrom. Fig. 4 zeigt somit ein einfaches Beispiel eines effektiven Doppelschneckenextruders.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen nicht als beschränkend für die Erfindung verstanden werden, sondern die Erfindung lässt sich innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden Patentansprüche beliebig variieren.

Bezugszeichenliste:

Recyclinganlage - Einschneckenextruder

Aufgabebereich des Extruders

Entgasungsöffnungen im Aufgabeberiech

Aufschmelzzone des Extruders mit der Aufschmelzzone in Verbindung stehende Heizeinrichtung

Schmelzfiltrationseinrichtung am Ender der Aufschmelzzone

Extruderschnecke

Einspritzzone des Extruders in Verbindung mit Druckfluidzufuhr

Extraktionszone des Extruders

Fluidabfuhr

Ausgang des Extruders erster Doppelschneckenextruder zweiter Doppelschneckenextruder

Motor zum Rotieren der Extruderschnecke a, b Extrudergehäuse

Aufgabebereich des Extruders für insbesondere zerkleinerte Kunststoffabfälle

Aufschmelzzone im ersten Extruder

Filtereinrichtung zum Entfernen von Feststoffen

Einspritzzone für das Fluid

Fluidzufuhr, insbesondere Druckfluidzufuhr - Schleppmittelzufuhr

Extraktionszone

Abdichtzone

Entgasungszone

Fluidabfuhreinrichtung, insbesondere Vakuum-Fluidabfuhreinrichtung

Ausgang des zweiten Extruders

Doppelschneckenextruder mit gleichläufigen Extruderschnecken

Extruderzylinder

Extruderschnecke

Einspritzzone verbunden mit einer Fluidzufuhr, insbesondere Druckfluidzufuhr

Fluidabfuhreinrichtung, insbesondere Vakuum-Fluidabfuhreinrichtung 70 Extraktionszone des Extruders

72 Abdichtzone des Extruders

74 Entgasungszone des Extruders

Claims

Ansprüche:

1. Verfahren zur Entfernung von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen mit einer Abfolge folgender Schritte: zerkleinerte Kunststoffabfälle werden zu einem Polymerstrom aufgeschmolzen (16), in einem anschließenden Extraktionsprozess (25) wird dem Polymerstrom unter Druck ein Fluid als Schleppmittel zugeführt (24), um den Austrag der Störstoffe zu unterstützen, das mit den Störstoffen angereicherte Fluid wird am Ende des Extraktionsprozesses von dem Polymerstrom abgeführt (26), wobei der Anteil des Fluids relativ zum Polymerstrom wenigstens 3 Gew.-% beträgt dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid unter einem Druck oberhalb des Dampfdrucks des Fluids bei Prozesstemperatur des Extrusionsprozesses dem Polymerstrom zugeführt wird, das Fluid in dem Extraktionsprozess auf einem Druck von 100-200%, des Fluid-Dampfdruckes bei Prozesstemperatur des Polymerstroms im Extraktionsprozess gehalten wird, und das Fluid über eine Dauer von wenigstens 5 s in dem Polymerstrom verbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in wenigstens einem Extruder (30, 32; 60) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zugeführten Fluids relativ zum Polymerstrom wenigstens 5 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 50 Gew.-%, insbesondere weniger als 25 Gew.-% beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid über eine Dauer von weniger als 600 s, bevorzugt weniger als 300 s, insbesondere weniger als 120 s in dem Polymerstrom verbleibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidabfuhr (52; 68) unter Vakuum erfolgt, das vorzugsweise 1-800 mbar, bevorzugt 10-800 mbar beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fluid ein Oberflächenspannung-reduzierender Stoff, insbesondere ein Tensid zugegeben wird.

7. Vorrichtung zur Entfernung von volatilen Störstoffen aus Kunststoffabfällen, umfassend, wenigstens einen Extruder (30, 32; 60), der folgende Bestandteile aufweist:

- einen Aufgabebereich (38) für zerkleinerte Kunststoffabfälle,

- eine an den Aufgabebereich (38) anschließende Aufschmelzzone (40) mit einer Heizeinrichtung zum Aufschmelzen der zugeführten Kunststoffabfälle zu einem Polymerstrom,

- eine Einspritzzone (44; 66), die mit einer Druckfluidzufuhr (46) zur Zufuhr eines fluiden Schleppmittels verbunden ist,

- eine der Einspritzzone (44; 66) nachfolgende Extraktionszone (48; 70), in welcher der Polymerstrom zusammen mit dem Fluid transportiert wird, und

- eine der Extraktionszone (48; 70) nachgeordnete Entgasungszone (51; 74), die mit einer Abfuhreinrichtung (52; 68) für das Fluid verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Extraktionszone (48; 70) derart bemessen ist, dass unter der Berücksichtigung der Fördergeschwindigkeit des Extruders (30, 32; 60) eine Verweilzeit des Polymerstrom/Fluid-Gemisches in der Extraktionszone (48; 70) von wenigstens 5 s gewährleistet ist, und dass am Ende der Extraktionszone (48; 70) vor der Entgasungszone (51; 74) eine Abdichtzone (50; 72) angeordnet ist, die ausgebildet ist, den Fluiddruck in der Extraktionszone (48; 70) auf einen Wert von 100% bis 200% des Fluid-Dampfdruckes bei Prozesstemperatur des Polymerstroms in der Extraktionszone (48; 70) zu halten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtzone (50; 72) als Rückförderzone und/oder Engstelle ausgebildet ist und/oder eine veränderte Gangsteigung, reduzierte Gangtiefe, reduziertes Schneckenspiel, Stauringe, Gewindedrossel, und/oder eine veränderte Schneckengeometrie wenigstens einer Extruderschnecke des Extruders (30, 32; 60) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionszone im Extruder (30, 32; 60) ein Länge/Durchmesser-Verhältnis L/D von mindestens 10 aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei sukzessiv angeordnete Extruder (30, 32) aufweist, und dass die Aufschmelzzone (40) und Einspritzzone (44) im ersten Extruder (30) angeordnet sind, und die Extraktionszone (48) und die Entgasungszone (51) im zweiten Extruder (32).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenspiel wenigstens einer Extruderschnecke des Extruders (30, 32; 60) pro 10 mm Zylinderdurchmesser des Extruders (30, 32; 60) 0,04 bis 0,2 mm beträgt vorzugsweise 0,05 bis 0,16 mm, bevorzugt 0,06 bis 0,12 mm beträgt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtzone (50; 72) im Extruder (30, 32; 60) ein Länge/Durchmesser-Verhältnis L/D von maximal 4 aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfuhreinrichtung (52; 68) eine Vakuum-Abfuhreinrichtung ist.