DE102005008115A1

DE102005008115A1 - Verfahren zum Kristallisieren eines amorphen Kunststoffgranulates

Info

Publication number: DE102005008115A1
Application number: DE200510008115
Authority: DE
Inventors: Milica Engel; Achim H. Becker
Original assignee: Mann and Hummel Protec GmbH
Current assignee: Protec Polymer Processing GmbH
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-08-31
Also published as: WO2006087323A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kristallisieren von amorphen Kunststoffgranulaten. Bei diesem Verfahren wird in einem Rührtrichter Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, oder eine andere Flüssigkeit zum Kristallisieren von Granulaten eingesetzt. Die Flüssigkeitstemperatur wird je nach Kristallisationstemperaturerfordernis auf das jeweilige Material geregelt. Nach dem Kristallisieren wird das Material aus dem Behälter ausgetragen und getrocknet. Der Vorteil der Kristallisation liegt darin, dass ein Zusammenbacken des Kunststoffgranulates aufgrund des Fluidüberzuges der Partikeloberfläche verhindert wird. Außerdem ist der Wärmeübergang von der Flüssigkeit auf die Partikel besser und kann gezielter vorgenommen werden. Eine Überhitzung der Partikel bei der Kristallisation ist ausgeschlossen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kristallisieren wenigstens der Außenhaut von Körnern eines amorphen Kunststoffgranulates nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der EP 0310968 B ist ein Verfahren zum Kristallisieren von amorphem Kunststoffgranulat bekannt. Bei diesem wird in einem Rührtrichter Heizgas mit einer oberhalb der Kristallisationstemperatur des Granulates liegenden Eintrittstemperatur zugeführt. Das Heizgas wird im Gegenstrom durch das Granulat geleitet, das Granulat auf Kristallisationstemperatur erhitzt und anschließend entnommen. Die Entnahmetemperatur des Granulates wird erfasst und die Eintrittstemperatur des Heizgases derart gesteuert, dass sie oberhalb eines vorgegebenen Wertes der Entnahmetemperatur des Granulates liegt.

Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Vermeidung einer Überhitzung des Granulates die Temperatur des Heizgases sehr präzise geregelt werden muss. Eine Überhitzung des Granulates führt zu einer unzulässigen Verfärbung, die die Weiterverarbeitung des Granulates beeinträchtigt.

Es ist weiterhin aus der WO 0236255 eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln oder Nachbehandeln von Kunststoffmaterial, insbesondere von Polyestermaterial wie Polyethylenterephthalat (PET) bekannt. Die Begasung des Granulates findet hauptsächlich im konischen Auslaufbereich eines Schachtreaktors statt. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, dass lediglich ein Teil des im Auslaufbereich befindlichen Granulates begast wird. Außerdem führt das Auslaufen des Kunststoffgranulates durch den Schachtreaktor und die Bewegung innerhalb des Schachtreaktors dazu, dass durch die Reibung des Kunststoffgranulates am Schacht ein Abrieb entsteht und damit Kunststoffstaub, der anschließend von dem Kunststoffgranulat getrennt werden muss. Außerdem besteht die Gefahr der Verklebung im Glasübergangsbereich, d. h. das Granulat muss in aufwendiger Weise wieder getrennt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kristallisieren eines amorphen Kunststoffgranulates zu schaffen, bei dem eine schonende und temperaturgenaue Behandlung des Granulates möglich ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Offenbarung der Erfindung

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass zur Wärmeübertragung nicht ein Gas, sondern eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, eine Flüssigkeit mit Wasseranteilen oder ein Lösungsmittel verwendet wird.

Bei der Erwärmung von thermoplastischen Kunststoffen werden in der Regel amorphe Molekülstrukturen neu geordnet (Glasübergang). Dies kann zu einer temporären Erweichung des Kunststoffes führen. Die Erweichung des Kunststoffes führt oft zu Verklebungseffekten, die durch die auch exotherm gebildete Wärme, stark begünstigt werden. Verklebungen sind Agglomerationen, welche die Rieselfähigkeit des Materials erheblich beeinträchtigen oder gar zum Stillstand bringen. Gerade bei der Kristallisation mit Heißluft oder Gas besteht die Gefahr, dass die Granulatkörner aufgrund der Erwärmung der Oberflächen verkleben und zusammenbacken.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird während dieser Erweichungsphase das Material vor statischen Belastungen, z. B. durch die eigene Schüttlast, geschützt und somit nach der molekularen neuen Ausrichtung bzw. Beendigung des Glasübergangszustandes bei Verfestigung eine Einzelkornschüttung aufrechterhalten, die die Fließfähigkeit des Materials ermöglicht.

Damit erzielt das erfindungsgemäße Verfahren einen Belastungsrückgang der Schüttung bei der erforderlichen Temperaturerhöhung zum Kristallisieren sowie eine Agglomerationsvermeidung durch Änderung der Klebebedingungen. Der statische Materialdruck einer Schüttung wird durch den Einsatz des Flüssigkeitsmediums verändert. Die Materialpartikel sind vom Flüssigkeitsmedium umgeben und schwimmen – bedingt durch den Auftrieb und den Dichteunterschied – in der Flüssigkeit. Die Gewichtskraft einer Schüttung wird somit abgeschwächt, hinzu kommt die Auftriebskraft der Flüssigkeit. Im Idealfall ist die Kristallisation daher in einem schwerelosen Zustand des zu kristallisierenden Materials möglich. In diesem Fall schweben die zu kristallisierenden Partikel in der Flüssigkeit. Da die Dichte der Kunststoffgranulate durch die Kristallisation steigt, z. B. von 1,33 auf 1,38 kg/dm³, werden die bereits kristallinen Anteile schneller absinken. Jede einzelne Granulatoberfläche wird mit einer Flüssigkeitsschicht überzogen. Eine Verklebung mehrerer Granulatkörner ist daher durch die dazwischen liegende Flüssigkeitsschicht und die statisch wegfallende Belastung durch Schüttlast bei der Kristallisation der Teilchen nicht zu erwarten. Die einzelnen Materialdichten von Kunststoffen, wie Polyester, Polyethylenterephthalat, Polyactid (Polymilchsäure), liegen im Bereich der Dichte von Wasser, wodurch bevorzugt Wasser als Basismedium einsetzbar ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass keine großen Mengen an Luftmassen erforderlich sind. Aufgrund der höheren Dichte und dem besseren Wärmeübergang von der Flüssigkeit auf die Partikel ist je nach Kristallisationsparameter mit einer Energieeinsparung zu rechnen. Außerdem ist aufgrund des geringeren Volumens und der höheren Dichte von Wasser gegenüber Luft der energetische Aufwand wesentlich geringer.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können Salze dem Wasser zur Erhöhung der Dichte und/oder Erhöhung des Siedepunktes oder auch niedrig siedende Bestandteile zur Erniedrigung des Siedepunktes bzw. Bestandteile zur Verringerung der Dichte hinzugefügt werden.

Es besteht alternativ oder ergänzend auch die Möglichkeit, das zu kristallisierende Gut in einem Behälter unter Druck zu kristallisieren. Auch damit wird eine Beeinflussung der Kristallisationstemperatur möglich.

Wie bereits erwähnt, kann die Dichte des flüssigen Mediums auf die Dichte des zu kristallisierenden Materials angepasst werden. Der Vorteil liegt darin, dass während des Verfahrens die amorphen Kunststoffgranulatbestandteile zunächst eine geringere Dichte aufweisen und damit im oberen Bereich der Flüssigkeit schwimmen. Während der Kristallisation verdichten sich diese und sinken nach unten ab, so dass ein ständiger, kontinuierlicher Förderprozess des Granulates stattfindet. Dies bedeutet auch, dass das Granulat kontinuierlich auskristallisiert im unteren Bereich des Behälters entnommen werden kann, während im oberen Bereich des Behälters das zu kristallisierende Material eingefüllt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung findet innerhalb des Behälters eine Vermischung oder Verwirbelung des Kunststoffgranulates statt. Diese kann beispielsweise durch Druckluft unterstützt werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, durch entsprechende Rührvorrichtungen das Granulat in Bewegung zu halten.

Eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens weist einen trichterförmigen Behälter auf, der oben eine Granulateinfülleinrichtung und im unteren Bereich eine Granulatentnahmevorrichtung sowie Anschlüsse zur Zuführung und Ableitung des Wärmeübertragungsmittels bzw. des erwärmten Wassers aufweist.

Ferner ist in dem Behälter eine Rührvorrichtung vorgesehen. Zur Temperierung des Wärmeübertragungsmittels, d. h. der Flüssigkeit, ist innerhalb des Behälters – zweckmäßigerweise im unteren Bereich oder auch außerhalb des Behälters – eine Heizeinrichtung vorgesehen.

Die Rührvorrichtung kann in einer Ausgestaltung der Erfindung ein vertikaler Rührstab sein. Es besteht auch die Möglichkeit, einen oder mehrere horizontale Rührstäbe im Behälter anzuordnen, welche motorisch angetrieben werden. Zum Austragen des kristallisierten Kunststoffgranulates ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein pneumatischer Schieber oder eine Zellenradschleuse vorgesehen.

Sofern im Behälter ein Druck aufgebaut werden soll, weist der druckstabile Behälter Drucklufteinlassdüsen zur Zuführung von Druckluft oder Gasen auf.

Eine besonders vorteilhafte Form des Behälters zur optimalen Kristallisation ist ein unteres trichterförmiges Auslassteil und ein oberer zylin drischer Teil, der ein größtmögliches Volumen für einen hohen Mengendurchsatz aufweist.

Ein Arbeitsverfahren zum Kristallisieren von amorphem Kunststoffgranulat besteht in bevorzugter Weise aus folgenden Prozessschritten: Das Granulat wird in den Behälter eingebracht und kontinuierlich oder diskontinuierlich gemäß der Behälterauslegung kristallisiert. Die Flüssigkeitstemperatureinstellung wird leicht über der Glasübergangstemperatur des Materials eingestellt. Innerhalb des Behälters wird eine Flüssigkeits- und Granulatbewegung erzeugt, wobei das Kunststoffgranulat während der Kristallisation nach unten absinkt und über eine Austragsschleuse ausgetragen wird. Anschließend erfolgen eine Trocknung des Kunststoffgranulates in einer Trocknungseinrichtung und die Rückführung der Feuchtigkeit bzw. der Flüssigkeit in den Behälter. Dies bedeutet, dass das ausgetragene Wasser direkt dem Kristallisationsprozess wieder zugeführt wird und dies ebenfalls mit einem energetischen Vorteil verbunden ist.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
1 ein Ablaufschema zur Herstellung von Kunststoffgranulat nach dem Stand der Technik,
2 ein Ablaufschema zur Herstellung von Kunststoffgranulat gemäß der Erfindung,
3 den Aufbau einer Vorrichtung zur Kristallisation von Kunststoff in einer schematischen Darstellung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt die Prozesskette einer Granulierung. Zunächst wird eine Kunststoffschmelze einem Extruder 10 zugeführt. Am Ausgang des Extruders erfolgt eine Unterwassergranulierung mit einer geeigneten Granuliereinrichtung 11. Nach dem Granulieren erfolgt eine Trocknung in einem Flash Dryer 12. Das getrocknete Material wird über Container oder Silos beispielsweise pneumatisch ohne Zwischenstopp an die Verarbeitungsstätte transportiert. Dort erfolgt vor der Verwendung des Kunststoffes die Kristallisation in einem Kristallisationsbehälter 13. Dieses Verfahren ist allgemeiner Stand der Technik. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Kombination der Unterwassergranulierung mit der Trocknung über den Flash Dryer entfallen.
2 zeigt den reduzierten apparativen Aufwand. Hier wird das von dem Extruder gelieferte Kunststoffmaterial in einem Wasserkristallisationsbehälter 14 granuliert und gleichzeitig von einem amorphen Zustand in einen kristallinen Zustand übergeführt. Anschließend erfolgt in einem Kunststofftrockner 15 das Trocknen des Materials bis auf einen zur Verarbeitung oder zum Transport erforderlichen Restfeuchtegehalt.
Selbstverständlich kann die Wasserkristallisationstechnik auch im Stand der Technik gemäß 1 eingesetzt werden. In diesem Fall wird der Kristallisationsbehälter 13 ersetzt durch den erfindungsgemäßen Kristallisationsvorgang bzw. -behälter.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Rührwerksbehälter 16 in einer schematischen Darstellung, in welchem gemäß dem Pfeil 17 das zu kristallisierende amorphe Kunststoffgranulat eingefüllt wird. Der Rührwerksbehälter ist im oberen Bereich zylindrisch gestaltet, im unteren Bereich weist er einen konischen Teil 18 auf. Unterhalb des konischen Teils 18 schließt sich ein Austragsventil 19 an. Innerhalb des Behälters befindet sich ein Rührwerk 20, bestehend aus einer vertikalen Welle 21 und daran angeordneten Rührarmen 22. An der Behälterinnenwand sind mehrere Stege 23 angeordnet, die in Verbindung mit den Rührarmen 22 für eine gute Durchmischung sorgen. Das Rührwerk 20 wird über einen auf dem Behälter angeordneten Motor 24 angetrieben. Im unteren Bereich des Behälters befindet sich ein Flüssigkeitsauslass 25. Die ausgeleitete Flüs sigkeit wird zu einer Heizeinrichtung 26 geführt und von der Heizeinrichtung ausgehend über die Leitung 27 dem Behälter im oberen Bereich wieder zugeführt. Am konischen Teil 18 befindet sich ein Temperaturfühler 28 sowie ein Einlass 29 für evtl. erforderliche Druckluft. Alternativ zu der Heizeinrichtung 26 kann am Behälter unterhalb des konischen Teils 18 auch eine Heizung 30 angeordnet sein. Das zu kristallisierende Material, welches vorzugsweise in Granulat- oder Flakeform vorliegt, wird von oben gemäß Pfeil 17 in den Rührtrichter eingetragen. Das Material fällt der Schwerkraft folgend in den mit Flüssigkeit gefüllten Behälter. Die Materialpartikel sind von dem Flüssigkeitsmedium umgeben und bewegen sich aufgrund der Dichteverhältnisse der Schwerkraft folgend durch den Kristallisationsbehälter, wobei die Druckbelastung der einzelnen Partikel um den Auftrieb der Flüssigkeit gegenüber Luft reduziert wird. Jede einzelne Partikeloberfläche ist von einer Flüssigkeitsschicht überzogen. Eine Verklebung mehrerer Partikel ist durch die dazwischen liegende Flüssigkeitsschicht und die wegfallende statische Belastung der Schüttlast nicht zu erwarten.
Das Material wird durch die Flüssigkeit auf Kristallisationstemperatur in dem Rührtrichter erhitzt und anschließend entnommen, wobei die Entnahmetemperatur des Granulates über den Temperaturfühler 28 erfasst wird. Damit kann die in den Rührtrichter eingeleitete Wärmemenge gesteuert werden. Ein Kunststoffgranulat, wie beispielsweise thermoplasti scher Polyester, kann in amorpher oder in teilkristalliner Form vorliegen. Zur Umformung des Granulates von amorphem oder teilkristallinem in den kristallinen Zustand wird das Granulat durch die Flüssigkeit auf eine Temperatur von 90° bis 110° erwärmt. Das kristallisierte Material sinkt nach unten ab und wird über das Austragsventil 19 ausgetragen. Anschließend wird die Flüssigkeit von dem Material getrennt und über eine geeignete Pumpe dem Prozess wieder zugeführt und das Material in einem nachgeschalteten Trockner getrocknet.

Claims

Verfahren zum Kristallisieren wenigstens der Außenhaut von Körnern eines amorphen Kunststoffgranulates, bei dem in einem Trichterbehälter ein erwärmtes Medium mit einer insbesondere oberhalb der Kristallisationstemperatur des Granulates liegenden Eintrittstemperatur zugeführt wird und das Granulat durch den Trichterbehälter durchgeführt wird, wobei das Granulat auf Kristallisationstemperatur erhitzt und anschließend entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeübertragung eine Flüssigkeit, insbesondere eine Flüssigkeit mit Wasser oder Wasseranteilen oder ein Lösungsmittel verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium Salze zur Erhöhung des Siedepunktes oder niedrig siedende Bestandteile zur Erniedrigung des Siedepunktes aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kristallisierende Gut in einem Behälter unter Druck kristallisiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des flüssigen Mediums der Dichte des zu kristallisierenden Materials entspricht oder kleiner als die Dichte des auskristallisierten oder teilkristallisierten Materials ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur des zugeführten flüssigen Mediums in einem Bereich von 60° bis 120° C gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem flüssigen Medium Druckluft zur Unterstützung der Vermischung oder Verwirbelung des Kunststoffgranulates zugeführt wird.
Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem bevorzugt trichterförmigen Behälter, der oben eine Granulateinfülleinrichtung sowie einen Auslass für das Wärmeübertragungsmittel und im unteren Bereich eine Granulatentnahmevorrichtung und einen Anschluss zur Zuführung des Wärmeübertragungsmittels aufweist und wobei in dem Behälter wenigstens eine Rührvorrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel ein flüssiges Medium, insbesondere Wasser, oder ein Medium mit Wasseranteilen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb oder außerhalb des Behälters in einer Flüssigkeitsleitung eine Heizeinrichtung zur Temperierung des flüssigen Mediums vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührvorrichtung aus wenigstens einem vertikal oder horizontal angeordneten Rührstab mit Rührschaufeln besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere horizontal oder vertikal angeordnete Rührvorrichtungen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zum Austragen des kristallisierten Kunststoffgranulates ein pneumatischer Schieber oder eine Zellenradschleuse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des Behälters Drucklufteinlassdüsen zur Zuführung von Druckluft oder Gasen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der trichterförmige Behälter ein zylindrisches Oberteil aufweist, welches auf einem zum Granulatentnahmebereich konisch zulaufenden Untersatz befestigt ist und wobei sich eine Welle axial durch den Behälter erstreckt, welche axial beabstandete Rührflügel sowie an der Innenwandung des Behälters mit den Flügeln zusammenwirkende, sich in den Behälterinnenraum erstreckende Stege aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperaturfühler innerhalb des Behälters vorgesehen ist, durch welchen die Temperatur der Flüssigkeit auf einen variablen Sollwert geregelt wird und wobei eine exotherme Energie im zu kristallisierenden Produkt bei der Temperaturregelung der Flüssigkeit berücksichtigt wird.
Verfahren zum Kristallisieren von amorphem Kunststoffgranulat, wobei das Verfahren aus folgenden Schritten besteht: – Einfüllen einer Flüssigkeit in einen Behälter und gleichzeitiges Temperieren der Flüssigkeit auf einen Bereich von 60° bis 120° C, – Einfüllen von amorphem Kunststoffgranulat in den Behälter, – Erzeugen einer Flüssigkeits- und Granulatbewegung innerhalb des Behälters, wobei das Kunststoffgranulat innerhalb des Behälters so lange verweilt, bis eine Kristallisation wenigstens der Außenhaut des Granulates erfolgt, – Austragen des kristallisierten Anteils des Kunststoffgranulates über eine Austragsschleuse, – anschließendes Trocknen des Kunststoffgranulates in einer Trocknungseinrichtung und – Rückführen der Feuchtigkeit bzw. der Flüssigkeit in den Behälter.