DE4328013C1 - Verfahren zum Trennen eines aus mehreren Komponenten bestehenden Stoffgemisches in einem Extruder - Google Patents
Verfahren zum Trennen eines aus mehreren Komponenten bestehenden Stoffgemisches in einem ExtruderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines aus meh
reren Komponenten bestehenden Stoffgemisches, das als Hauptkom
ponente thermoplastische Polymere und als abzutrennende Nebenkompo
nenten niedermolekulare Verbindungen enthält, durch Thermovakuum
behandlung einer Schmelze des Stoffgemisches in einem Extruder
mit mehreren Hoch- und Niederdruckzonen, wobei in eine der letz
ten Niederdruckzone vorgeschalteten Hochdruckzonen unter dem
Einleitungsdruck (pe) ein Trennmedium, in dem die niedermoleku
lare Verbindung zumindest teilweise lösbar ist, in die Schmelze
eingeleitet und zumindest zum Teil aus einer dieser Hochdruck
zone benachbarten Niederdruckzone, in der ein gegenüber dem Ein
leitungsdruck (pe) geringerer Restdruck (p) herrscht, als mit
Nebenkomponenten beladenes Trennmedium abgeführt und außerhalb
des Extruders aufgefangen wird.
Ein solches Verfahren ist durch die DE 39 32 793 A1 zur Behand
lung einer Polyamid-6-Schmelze mit Wasserdampf bekannt, wobei
auch darauf hingewiesen wird, daß beim Einsatz von gesättigtem
Wasserdampf bei einer an sich zu vermeidenden falschen Ein
stellung der Druckverteilungen im Extruder der Dampf aus dem Ex
truder in der der Schmelzebewegung entgegengesetzten Richtung
austreten kann. Die in DE 39 32 793 A1 abgehandelte Erfindung be
trifft allerdings die mehrmalige Behandlung von Polycaproamid
schmelzen und ihrer Copolymere im Extruder mit überhitztem Was
serdampf und Thermovakuumentgasung zur Abtrennung von niedermo
lekularen Verbindungen.
Wenn auch die Menge des in die Polymerschmelze vor jeder Vakuum
entgasungszone einzuleitenden Wassers auf 150% bezogen auf die
Menge an ursprünglich in der Ausgangsschmelze enthaltenen nie
dermolekularen Verbindungen begrenzt ist, so stellt die wieder
abzuführende, dann beladene Wassermenge doch erhebliche Anforde
rung an die Kapazität der Vakuumanlage, die in allen Nieder
druckzonen zu Abtrennung des beladenen Wassers ein Vakuum konti
nuierlich aufrechterhalten soll, um schließlich einen Restgehalt
an niedermolekularen Verbindungen von höchstens 1,8% zu errei
chen.
Entgegen der in der DE 39 32 793 A1 auch niedergelegten Fachmei
nung, bei der Polyamid-6-Reinigung mit gesättigtem Wasserdampf
einen Rückwärtsfluß sich nicht einstellen zu lassen, schlägt US-
PS 3,799,234 für die Trennbehandlung von Kunststoffen das Gegen
strömen des Trennmediums, das in bestimmten Fällen Wasserdampf
sein kann, ausdrücklich vor. Als eine Alternative zur Unterstüt
zung der Ableitung des beladenen Trennmediums ist auch die Vaku
umbehandlung vorgesehen. Allerdings läßt die Bedingung, daß das
Gas inert sein muß und aus der Vielzahl inerter Gase das jeweils
Geeignete auszuwählen ist, nicht erkennen, ob nach US 3,799,234
auch eine Thermovakuumbehandlung von Polymeren, wie von Polykon
densaten gemeint sein kann.
Kann aus den beiden vorstehend genannten Schriften die Betriebs
weise einer Thermobehandlung zum Abtrennen von niedermolekularen
Verbindungen aus thermoplastischen Polymeren im Extruder mit ei
nem Unterdruck als Restdruck oder alternativ mit athmosphäri
schem Auslaß als Druckobergrenze entnommen werden, so ist dieser
athmosphärische Auslaß Untergrenze bei einem durch die US-PS
3,683,511 bekannten artfremden Gleichstrom-Verfahren, bei dem
Restdrücke bis 10 bar vorgesehen sind, um leicht flüchtige Koh
lenwasserstoffe aus Elastomeren auszutreiben.
Schließlich werden in der eingangs genannten DE 39 32 793 A1 noch
andere Verfahren zur Thermovakuumbehandlung von Polymerschmelzen
in einem Extruder abgehandelt, wie beispielsweise das bereits
erwähnte Einleiten von gesättigtem Wasserdampf.
Die verschiedensten Verfahren sind mit dem Ziel entwickelt wor
den, Polymerschmelzen durch Entfernung unerwünschter Komponenten
zu reinigen und somit die geforderten Qualitäten zu erreichen.
Als wichtigstes Verfahren hat sich das Entgasen unter Vakuum mit
oder ohne Schleppmitteleinsatz in der Praxis durchgesetzt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte kon
tinuierliche Verfahren weiterzuentwickeln und ein betriebssi
cheres und wirtschaftliches Verfahren zur Abtrennung von nieder
molekularen Verbindungen aus Polymerschmelzen, insbesondere zur
Entlactamisierung von Polyamid-6, zu schaffen, das mit relativ
geringem Energieaufwand zu geringen Restgehalten an niedermole
kularen Verbindungen, also zu einer weitreichenden Reinigung der
Polymerschmelze führt.
Ein weiteres Anliegen ist die Schaffung eines flexiblen Verfah
rens, bei dem als Ausgangsmaterial ein thermoplastisches Polymer
in fester Form (Granulat, Schnitzel, Pulver . . .), in geschmol
zenem Zustand, z. B. aus einem Polyadditionsreaktor, oder in Form
einer Polymerlösung oder Polymerpaste eingesetzt werden kann,
und das sich mit weiteren Verarbeitungsschritten, wie Zumischen
von Additiven, Granulieren oder einer anschließenden Weiterver
arbeitung, z. B. zu Spinnfasern, vorteilhaft kombinieren läßt.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die Schmelze auf
ihrem Weg durch den Extruder zunächst eine Niederdruckzone mit
einem Restdruck (p) durchläuft, der der Bedingung
1 bar p pc
(wobei pc der kritische Druck des Trennmemdiums ist) genügt, und
aus der mit Nebenkomponenten beladenes Trennmediums abgeführt
wird, bevor die Thermovakuumbehandlung der Schmelze durch
Vakuumentgasen bei einem Unterdruck (pv) < 0,5 bar, vorzugsweise
< 0,05 bar in der letzten Niederdruckzone erfolgt.
Die erfindungsgemäße Kombination einer Lösungsmittelextraktion
im Extruder bei einem Restdruck p von mindestens 1 bar und da
rüber mit einem anschließenden Vakuumentgasen führt dazu, daß
zunächst große Mengen an niedermolekularen Verbindungen mit
geringem Energieaufwand aus dem Stoffgemisch entfernt werden
können und das energieaufwendige Vakuum nur noch zum Austragen
von Resten an niedermolekularen Verbindungen und kleinen Rest
mengen an Trennmittel aufrechterhalten werden muß. Der Verfah
rensabschnitt der Thermovakuumbehandlung ist somit bezüglich
seines Energieaufwandes weitgehend unabhängig vom ursprünglichen
Gehalt des Stoffgemisches an niedermolekularen Verbindungen und
unabhängig davon, ob eine relativ, aber auch absolut große oder
sehr große Menge an Trennmittel vorher eingeleitet und bei
1 bar wieder abgeleitet worden ist. Die Thermovakuumbehand
lung, praktisch auf eine Schlußentgasung beschränkt, wird damit
besonders wirkungsvoll.
Auf Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens entspre
chend der Unteransprüche wird verwiesen.
Bevorzugt wird eine grundsätzliche Verfahrensvariante, bei der
der überwiegende Teil des in eine Hochdruckzone eingeleiteten,
dort mit Nebenkomponenten beladenen Trennmediums gegen
strömend geführt und aus der dieser Hochdruckzone vorgeschalte
ten Niederdruckextraktionszone abgeführt wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, daß die Thermovakuumbehandlung
erst durchgeführt werden soll, nachdem der Gehalt an niedermole
kularen Verbindungen auf 10% des Ausgangsgehaltes des Stoff
gemisches an niedermolekularen Verbindungen abgesenkt worden
ist.
Im übrigen soll die Einleitung des Trennmediums unter einem
Druck pe erfolgen, der über dem Restdruck p der zugeordneten
Niederdruckextraktionszone liegt, aber den kritischen Druck pc des
Trennmediums nicht übersteigen soll.
Vorwiegend für die Zone mit überwiegender Rückwärtsströmung des
beladenen Trennmediums gilt als vorteilhafter Verfahrensparame
ter ein Restdruck (p) zwischen 1 und 8 bar und die Einleitung
des Trennmediums unter einem Druck (pe), der in dem durch die
Funktion p < pe < pc gegebenen Bereich liegt. Hierin
steckt auch die überraschende Erkenntnis, daß mit relativ gerin
gen Differenzdrücken hervorragende Reinigungseffekte erzielt
werden können.
Die Trennbehandlung des Stoffgemisches erfolgt nach einer bevor
zugten Ausführungsform der Erfindung nach einem Verfahren, bei
dem die Schmelze zwei Hochdruckzonen durchläuft, in denen Trenn
medium unter Druck eingeleitet wird, derart, daß beide Hoch
druckzonen dem Zonenbereich mit Rückwärtsströmung zugeordnet
werden, daß vor beiden Hochdruckzonen eine Niederdruckzone, in
der der definierte Restdruck (p) herrscht, liegt, und daß aus
beiden Niederdruckzonen beladenes Trennmittel abgeleitet wird.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die an die Lösungsmittel
extraktion unmittelbar anschließende Ableitung des beladenen
Trennmediums aus den vorderen Niederdruckzonen bei einem Förder
druck (pf) erfolgt, der der Bedingung für den Restdruck (p) ge
nügt.
Trennmedium kann in vielen Fällen Wasser sein oder andere, bei
Normalbedingungen (1 bar absolut und 20°C) flüssige Medien, wie
beispielsweise Alkohole. In Sonderfällen wird als Trennmedium
gasförmiges CO₂ oder N₂ verwendet, das als verdichtetes Gas in
die Schmelze eingeleitet ist. Dabei ist das Gas (im thermodyna
mischen Sinne) Lösungsmittel für die niedermolekulare Verbin
dung, so daß auch die Verwendung solcher Gase von einer Art Lö
sungsmittelextraktion, einem selektiven Entfernen bestimmter
Substanzen, gesprochen werden kann.
Auch ein Gemisch aus einem bei 20°C und 1 bar abs. flüssigen
Trennmittel bzw. Lösungsmittel und aus CO₂ oder N₂ kommt zur An
wendung.
Bei dem erfindungsgemäßen Trenn- bzw. Reinigungsverfahren kann
das (unter Normalbedingungen) flüssige Lösungsmittel auch in
Dampfform eingeleitet werden. Beim gasförmigen Lösungsmittel
kann ein höheres Lösungsvermögen verdichteter Gase zugunsten ei
ner besseren Reinigungswirkung ausgenutzt werden.
Die Vorteile der Erfindung kommen also grundsätzlich bei der Be
handlung von Stoffgemischen zum Tragen, die als Hauptkomponente
thermoplastische Polymere enthalten, wobei die Nebenkomponenten
auch als Verunreinigungen oder Nebenprodukte eines Prozesses be
zeichnet werden können. Solche Verunreinigungen sind zum Bei
spiel Lösungsmittelreste, etwa aus dem Polymerisationsprozeß,
Monomere, Oligomere, Katalysatorreste, Nebenprodukte, zum Bei
spiel aus der Polyreaktion, Abbauprodukte oder andere Stoffe wie
Geruchs- und/oder Geschmackstoffe, Additive oder während des
Gebrauchs eindiffundierte Fremdsubstanzen, die die Eigenschaften
des Polymeren beeinträchtigen und/oder dessen Einsatz einschrän
ken.
Nebenkomponenten im Sinne dieser Erfindung können auch Wert
stoffe darstellen, die zurückgewonnen werden. So wird zum Bei
spiel bei der Reinigung von Rohpolyamid-6, das einen Monomerge
halt von 8 bis 10 Gew.% aufweist, das extrahierte ε-Caprolactam
wiedergewonnen und kann nach entsprechender Aufbereitung zur
Herstellung von Polyamid-6 (Polycaprolactam) eingesetzt werden.
So wird nun auf vorteilhafte Anwendung des Verfahrens gemäß den
hierauf gerichteten weiteren Unteransprüchen verwiesen, nämlich
einmal auf die Anwendung des Verfahrens zur Abtrennung niedermo
lekularer Verbindungen im Zuge der Aufbereitung von Recyclat-
Kunststoff und Recyclat-Kunststoffgemischen, zum anderen auf die
Anwendung des Verfahrens zur Thermovakuumbehandlung eines Roh
kunststoffes. Rohkunststoff und/oder das Recyclat können ein Ge
misch mit der Hauptkomponente Polyamid-6 und der Nebenkomponente
ε-Caprolactam sein.
Das Verfahren mit Wasser als Trennmedium, das als Wasserdampf in
die Schmelze eingeleitet wird, wird mit der Maßgabe betrieben,
daß mindestens 200% Wasser, bezogen auf den anfänglichen Masse
gehalt des Stoffgemisches an niedermolekularen Verbindungen, wie
an beispielsweise ε-Caprolactam, eingeleitet werden.
Bei der Anwendung des Verfahrens zum Trennen von Rohkunststoffen
oder Recyclaten, insbesondere zum Abtrennen von ε-Caprolactam in
mehreren Stufen wird in die erste Hochdruckzone mehr als 50 Mas
se %, in die der abschließenden Thermovakuumbehandlung näher
liegende zweite Hochdruckzone weniger als 50 Masse % des Wassers
eingeleitet werden, und es ist vorgesehen, daß der Restdruck
(p₁) in der der ersten Hochdruckzone vorgeschalteten Nieder
druckzone höher ist als der Restdruck (p₂) in der zweiten Nie
derdruckzone und daß die Differenz (p₂-p₁) der Restdrücke
mindestens 1 bar beträgt.
Polyamid 6 wird großtechnisch aus ε-Caprolactam, vorwiegend
durch hydrolytische Polymerisation gewonnen. Dabei stellt sich
ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen das Polykondensat
Polyamid-6 (PA 6), das Monomer ε-Caprolactam und verschiedene,
vorwiegend cyclische Dimere und Oligomere ein, das im wesentli
chen von der Temperatur und Wassergehalt abhängt. Dieses Gemisch
mit ca. 8 bis 10% Monomergehalt (ε-Caprolactam) muß auf einen
möglichst niederen Caprolactamgehalt entmonomerisiert werden.
Hierzu werden alternativ regelmäßig zwei Methoden praktiziert,
nämlich das Vakuumentgasen der leichtflüchtigen Bestandteile aus
der Polymerschmelze (z. B. US 3,578,640) oder das erfindungsferne
Extrahieren der niedermolekularen Verbindungen aus PA 6-Granulat
mit heißem Wasser unter leichtem Überdruck.
Für die ε-Caprolactamabscheidung sind beide Methoden nicht nur
zeitaufwendig und kostenintensiv, sondern weisen auch zum Teil
erhebliche technische und/oder Umweltprobleme auf. So wird z. B.
beim Extrahieren des PA 6-Granulats mit heißem Wasser ca. die
10fache Menge an Wasser benötigt und das extrahierte ε-Caprolac
tam muß aus einer sehr verdünnten wäßrigen Lösung zurückgewon
nen werden. Außerdem muß das feuchte Granulat (ca. 30 Gew.% Was
ser) unter hohem Energieeinsatz getrocknet werden (Restfeuch
tegehalt ca. 0,1%). Weiterhin ist ein Wiederaufschmelzen des
Granulats zum Mischen von Additiven und/oder zur Weiterverarbei
tung erforderlich. Neben dem zusätzlichen Energieaufwand muß
auch die Rückreaktion zu Monomeren und Oligomeren in Kauf genom
men werden.
Beim Vakuumentgasen der Polymerschmelze dagegen wird, wie ein
gangs bereits hervorgehoben, ein kontinuierliches Vakuum von re
gelmäßig unter 10 mbar benötigt, was teure große Vakuumpumpen
und hohen Energieaufwand erfordert. Zudem neigt das entgaste ε-
Caprolactam dazu auf den Wänden der Rohrleitungen zur Vakuumeinheit
zu kondensieren. Ein störungsfreier, kontinuierlicher Be
trieb ist nur unter erheblichem Aufwand, z. B. beheizte Rohrlei
tungen und aufwendige Abscheidevorrichtungen, möglich.
Ein besserer oder zumindest ein vergleichbarer Reinigungsgrad
kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit erheblich weniger
Zeit- und Kostenaufwand als nach dem Stand der Technik erzielt
werden. So läßt sich z.B. ein Rohpolyamid-6, das 8 bis 10 Gew.%
ε-Caprolactam enthält, erfindungsgemäß unter Einsatz von ver
gleichsweise (im Vergleich zum großtechnisch angewandten, erfin
dungsfernen Extrahieren bzw. Auswaschen mit heißem Wasser) sehr
geringen Wassermengen, typischerweise bis 50 Gew.% der zu reini
genden PA 6-Menge, auf weit unter 0,1 Gew.% ε-Caprolactam bei
einfacher, betriebssicherer kontinuierlicher Fahrweise entlacta
misieren. Das Caprolactam wird dabei aus der Polymerschmelze mit
Wasserdampf bei einem Druck, der über dem atmosphärischen Druck
liegt, vorzugsweise bei Gegenströmung des Trennmediums extra
hiert und aus dem Extruder gemeinsam mit dem Wasserdampf und ge
ringen Mengen an weiteren extrahierbaren Bestandteilen abge
führt. Durch Entspannen auf Normaldruck und Abkühlung wird der
Wasserdampf verflüssigt. Das Caprolactam bleibt dabei stets in
der wäßrigen Phase gelöst und führt nicht zur Verstopfung der
Rohrleitungen. Auch die Rückgewinnung des Caprolactams ist hier
wesentlich wirtschaftlicher, da es aufgrund der geringeren Was
sermengen in konzentrierter Form anfällt und zudem aufgrund der
sehr kurzen Extraktionszeit im Extruder fast nur Caprolactam in
die Extraktphase geht. Obwohl das Polyamid-6 als ein Polykonden
sat gegen Wasser nicht indifferent ist, wurde überraschender
weise festgestellt, daß trotz des erhöhten Wasserdampfdrucks
über der Polymerschmelze bei den hohen Temperaturen von typi
scher Weise über 250°C bei der erfindungsgemäßen Verfahrens
weise kein Abbau des Polyamids und praktisch keine Rückbildung
zu Caprolactam stattfinden. Dies ist offensichtlich auf die sehr
kurze Wirkungszeit im Extruder von typischerweise 1 bis 5 Minu
ten zurückzuführen. Es ist auch als überraschend anzusehen, daß
trotz dieser kurzen Kontaktzeit zwischen Polymerschmelze und
Wasserdampf im Extruder eine so hohe Austragsrate des Caprolac
tams und eine so intensive Reinigung der Polymerschmelze erzielt
werden. Hierzu tragen verschiedene Effekte bei, die sich nach
dem vorliegenden Verfahren in vorteilhafter Weise ergänzen bzw.
verstärken. So löst sich z. B. das Wasser aufgrund des erhöhten
Drucks teilweise in der Polymerschmelze, wodurch eine bessere
Diffusion und eine höhere Stoffaustauschrate ergeben. Der mit
den extrahierten Stoffen beladene Wasserdampf wird dem Extruder
unter Druck entzogen. Im Vergleich zu einer konventionellen Va
kuumentgasung mit Wasserdampf als Schleppmittel kann damit nach
der vorliegenden Erfindung wesentlich mehr Wasser eingesetzt und
trotzdem die Strömungsgeschwindigkeit der Dampfphase im Extruder
kleiner gehalten werden. Der Extraktionsdruck im Extruder kann
allerdings nicht beliebig erhöht werden, weil bei hohen Drücken,
insbesondere dem kritischen Druck (des Lösungsmittels) die
Löslichkeit des Lösungsmittels in der Polymerschmelze sehr stark
zunimmt und sich nachteilig auf die Prozeßführung auswirkt. Beim
Wasser als Extraktionsmittel haben sich z. B. Drücke zwischen 1
bar abs. und ca. 20 bar abs. als günstig erwiesen. Als Extruder
ist ein Gleichdrall-Zweischnecken-Kneter besonders geeignet, der
nach dem Baukastenprinzip aufgebaut ist und somit hohe Flexibi
lität aufweist.
Der Gegenstand der Erfindung wird anhand von schematischen Ab
bildungen weiter näher erläutert. Von diesen zeigt
Fig. 1 einen Extruder mit einstufiger Trennmitteleinleitung
Fig. 2 einen Extruder mit zweistufiger Trennmitteleinleitung
Fig. 3 anhand eines Diagramms des Druckverlaufs im Extruder
eine Lösungsmittelextraktion mit Rückwärtsfluß,
Fig. 4 anhand eines weiteren Diagramms die Kombination Rück
wärts- und Vorwärtsfluß,
Fig. 5 anhand eines weiteren Diagramms die Vorwärtsextraktion.
Fig. 1 zeigt einen Extruder 1 mit einem Aufgabetrichter 2, einer
Einzugszone 3, die üblicherweise gekühlt ist, und einer Plasti
fizierzone 4 zum Aufschmelzen des Stoffgemisches. Der Plastifi
zierzone 4 folgt eine Niederdruckzone 5, die über eine Extrak
tionszone 6 in eine Hochdruckzone 7 übergeht, der eine Drossel
vorrichtung 8 zugeordnet ist.
Der Drosselvorrichtung 8 folgt eine letzte Niederdruckzone 9 und
am Ende eine letzte Hochdruckzone 10, die dem Extruderkopf 11 zuge
ordnet ist.
Mit Strichen 12 ist der Aufbau des Extruders 1, nämlich seines
Schneckengehäuses im Baukastensystem angedeutet. Die Druckver
teilung im Extruder selbst wird im wesentlichen durch die Geome
trie der Schnecke, bzw. der Schnecken bestimmt.
Weiterhin zeigt Fig. 1 einen Auslaßstutzen 13 an der Nieder
druckzone 5, der über eine Leitung 14, ein Regelventil 15 mit
einem Wärmeaustauscher 16 verbunden ist, der einen Ablauf 17
aufweist. Die Hochdruckzone 7 hat einen Einlaßstutzen 18, in den
eine Wasserdampfförderleitung 19 mündet.
Ein Doppelpfeil 20 soll die Verstellbarkeit des Drosselorgans 8
veranschaulichen.
Die letzte Niederdruckzone 9 weist eine Entgasungsöffnung 21,
die an eine nicht dargestellte Vakuumanlage angeschlossen ist,
auf. Ein Pfeilsymbol 22 deutet die Vakuumentgasung an.
Das Stoffgemisch, symbolisiert durch einen Pfeil 23, wird dem
Aufgabetrichter 2 zugeführt, am Extruderkopf 11 tritt die gerei
nigte Hauptkomponente 24 aus.
Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß dem in Fig. 1 erkenn
baren Schema wird das Stoffgemisch 1, nämlich das thermoplasti
sche Polymer dem Extruder 1 zugeführt. Der Einzugszone 3, die
üblicherweise gekühlt wird, folgt das Aufschmelzen des Stoffge
misches in der Plastifizierzone 4. In der Extraktionszone 6 wer
den die Nebenkomponenten, bzw. Verunreinigungen aus der Polymer
schmelze mittels eines Lösungsmittels, zum Beispiel Wasser, ex
trahiert. Hierzu wird Wasserdampf aus der Wasserdampfförderlei
stung 19 über die Einlaßstutzen 18 dem Extruder in der Hochdruck
zone 7 zugeführt. Das Lösungsmittel strömt der Polymerschmelze
entgegen, nimmt die zu entfernenden Verunreinigungen auf und
wird aus dem Extruder aus der Niederdruckzone 5, über Leitung
14, das Regelventil 15, mit dem der Restdruck mitbestimmt werden
kann, und dem Wärmeaustauscher 16 abgeführt. Das Verhältnis
Trennmittelmenge - hier Wasser - zum zu reinigenden Polymer beträgt
1 : 20 bis 1 : 2, vorzugsweise 1 : 10 bis 1 : 5. Mit dem Regelventil 15
wird ein Restdruck (p) entsprechend der Funktion pc p 1 bar
absolut eingestellt und aufrechterhalten.
In dem Wärmeaustauscher 16 wird das gegebenenfalls noch dampf
förmige Gemisch aus Trenn-(Lösungs-)mittel und extrahierten
niedermolekularen Verbindungen verflüssigt und abgekühlt. Dieses
Gemisch wird über den Ablauf 17 abgezogen und in einem weiteren
Prozeßschritt aufbereitet, wobei die extrahierten Substanzen,
zum Beispiel ε-Caprolactam bei Polyamid-6, zurückgewonnen werden
und das regenerierte Trennmittel gegebenenfalls dem Extruder er
neut zugeführt werden kann.
Die Extraktionszone 6, in der durch eine geeignete Schneckenkon
figuration für einen intensiven Stoffaustausch zwischen Polymer
schmelze und Lösungsmittelphase gesorgt wird, wird durch zwei
"Schmelzedichtungen" zwischen der Aufschmelzzone 4 und der Nie
derdruckzone 5 sowie der Hochdruckzone 7 und der letzten Nieder
druckzone 9 abgegrenzt. Eine Schmelzedichtung wird durch Stauen
der Polymerschmelze erzeugt. Dies kann entweder durch eine ge
eignete Schneckenkonstruktion bzw. Wahl geeigneter Schneckenele
mente oder auch, wie hier, durch eine zweckmäßigerweise ver
stellbare Drosselvorrichtung 8 erfolgen.
In der abschließenden, letzten Niederdruckzone 9 wird schließ
lich die Thermovakuumbehandlung durchgeführt, wobei nun von der
Polymerschmelze aufgenommenes Trennmittel, hier Wasser und weit
gehend die noch verbliebenen Reste an niedermolekularen Verbin
dungen durch Anlegen eines Vakuums entfernt werden. Auch hier
wird eine bessere Schlußentgasung als nach dem Stand der Technik
erzielt, weil die Polymerschmelze in der Extraktionszone 6, die
unter einem erhöhten Druck steht, sich mit dem Lösungsmittel in
höherem Maße belädt und dieses in der letzten Niederdruckzone 9
freigesetzt wird und zum kontrollierten Aufschäumen der Polymer
schmelze führt.
Hierdurch wird aufgrund der größeren Stoffaustauschfläche eine
weiterreichende Reinigung bewirkt. Die gereinigte Polymer
schmelze 24 verläßt den Extruder 1 über den Extruderkopf 11 und
wird entweder granuliert oder einem anschließenden Verarbei
tungsprozeß, zum Beispiel einem zweiten Aufbereitungsextruder
oder einer Spinnvorrichtung direkt zugeführt.
Der Extruder 1 nach Fig. 2 weist zwischen der ersten Hochdruck
zone 7 und der letzten Niederdruckzone 9 eine zweite Nieder
druckzone 25 und eine zweite Hochdruckzone 26 auf. Letzterer ist
ein weiterer Einlaßstutzen 32 und eine Druckförderleitung 33 zu
geordnet, während die zweite Niederdruckzone 25 einen weiteren
Auslaßstutzen 27 aufweist. Von diesem führt einen Förderleitung
28 über ein weiteres Regelventil 29 zu einem weiteren Wärmetau
scher 30 mit dem zugeordneten Ablauf 31.
Verfahrenstechnisch verdeutlicht Fig. 2 eine weitere Ausfüh
rungsvariante der Erfindung, die sich insbesondere zur Extrak
tion größerer Mengen Verunreinigungen aus der Polymerschmelze
und/oder zur Erzielung einer Tiefstreinigung eignet. So kann zum
Beispiel Polyamid-6, das aus einem Polykondensationsreaktor ent
nommen wird und 8 bis 10 Gew.% ε-Caprolactam enthält, vorteil
haft nach dieser Variante weitestgehend, d.h. auf unter 1000 ppm
ε-Caprolactam, entmonomerisiert werden. Als Trennmittel wird
hier wiederum Wasser verwendet.
Zwischen der Plastifizierzone 4 und der ersten Niederdruckzone 5
wird wiederum die erste Schmelzedichtung aufgebaut. Über die
Wasserdampfförderleitung 19 wird ein Teil des Wassers dem Extru
der in der Hochdruckzone 7 zugegeben, strömt in Gegenrichtung,
belädt sich mit Nebenkomponenten und wird schließlich aus der
ersten Niederdruckzone 5 abgeführt.
Der ersten Extraktionszone 6 folgt eine zweite Extraktionszone,
die weitgehend mit der zweiten Niederdruckzone 26 und teilweise
mit der zweiten Hochdruckzone zusammenfällt. Die zweite Hoch
druckzone ist natürlich gegen die anschließende letzte Nieder
druckzone 9 Schmelzedichtung abgegrenzt. Ein weiterer Teil des
Wassers wird dem Extruder in der zweiten Hochdruckzone 26 über
die weitere Wasserdampfförderleitung 33 zugeführt. In der zwei
ten Extraktionszone werden die noch verbliebenden Nebenkomponen
ten extrahiert und mit dem Wasserdampf abgeführt und dem eigenen
weiteren Wärmetauscher 30 zugeführt.
Die Schmelzedichtung zwischen der Extraktionszone 6 und der
zweiten Niederdruckzone 25 kann auch in vorteilhafterweise so
ausgestaltet werden, daß das Trennmittel, das in dem Extruder in
der ersten Hochdruckzone 7 zugegeben wird, teilweise auch in
Flußrichtung der Polymerschmelze strömt, so daß eine Gegenstrom-
wie auch eine Gleichstrom-Extraktion stattfindet. Dabei kann das
Verhältnis der Trennmittelmengen für die Gegenstrom- und Gleich
strom-Extraktion zwischen 1 : 1 und 20 : 1 variiert werden.
Die Trennmittel, bzw. Wassermenge für die zweite Extraktionszone
ist in der Regel kleiner als die Extraktionsmittelmenge für die
erste Extraktionszone 6, wobei sich ein Verhältnis von 1 : 2 bis
1 : 10 als besonders günstig erwiesen hat. Das Verhältnis Gesamt
trennmittelmenge zum zu reinigenden Polymer beträgt 1 : 10 bis
1 : 1, vorzugsweise 1 : 10 bis 1 : 2.
Das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren für thermoplastische
Polymere wurde hier anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, wo nur
ein Extruder eingesetzt wird. Es ist aber auch im Sinne dieser
Erfindung, zum Beispiel zwei hintereinander geschaltete Extruder
zu verwenden und den Extraktionsprozeß mit einem weiteren, zum
Beispiel einem nachgeschalteten Aufbereitungsschritt zu kombi
nieren. Das Trennverfahren kann ferner mehrstufig durchgeführt
werden, wobei in den einzelnen Extraktionszonen unterschiedliche
Verfahrensdrücke eingestellt und/oder unterschiedliche Lösungs
mittel, zum Beispiel Wasser und CO₂ oder N₂, eingesetzt werden.
Die Verwendung von zwei Extrudern bietet außerdem die vorteil
hafte Möglichkeit, die Schneckendrehzahl an die sich verändernde
Konsistenz der Polymerschmelze anzupassen. Insbesondere kann sich das
erfindungsgemäße Verfahren auch an einen vorgeschalteten Pozeß,
z. B. einen Herstellungsprozeß für Rohkunststoffe oder einen kon
ventionellen Sortier- und/oder Reinigungsprozeß für Kunststoff-
Recyclate vorteilhaft anschließen.
Die Fig. 3 bis Fig. 5 zeigen den Druckverlauf in Extrudern wäh
rend des Betriebes des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei ist
jeweils das Einleiten des Trennmediums durch Einleitungspfeile
34 und 36, das Ableiten des beladenen Trennmediums durch Ablei
tungspfeile 35 und 37 symbolisiert.
Der Druckverlauf nach Fig. 3 könnte in dem Extruder nach Fig. 2
vorliegen. In der ersten Schmelzedichtung wird der Druck pd1
aufgebaut und so eine erste Hochdruckzone H1 geschaffen. Die
zweite und die dritte Schmelzedichtung erzeugen die Drücke ptd2
und pd3 für die zweite Hochdruckzone H2 und die dritte Hoch
druckzone H3. Am Ende des Extruders, dessen Länge L die Ordinate
bildet, befindet sich eine vierte Hochdruckzone H4, dem Austrags
druck pa entsprechend.
Die Lage des Zuführungspfeiles 34 verdeutlicht, daß das Trenn
medium im ansteigenden Ast der ersten Niederdruckzone N1 bei ei
nem Einleitungsdruck pe1 zugeführt wird und sich dem geringsten
Widerstand folgend seinen Weg rückwärts sucht und beim Restdruck
p₁ beladen weitgehend wieder abgeführt wird, wofür der Abfüh
rungspfeil 35 steht.
Entsprechendes läuft in der dritten Hochdruckzone H3 und der
vorgeschalteten zweiten Niederdruckzone N2 ab, wie aus der Lage
des Zuführungspfeiles 36 und des Abführungspfeiles 37 erkennbar
ist. Der Einleitungsdruck pe2 ist dabei wesentlich geringer, als
der Einleitungsdruck pe1 wie auch der Restdruck p₂ in der zwei
ten Niederdruckzone N2 niedriger eingestellt ist als davor und
nur geringfügig über 1 bar liegt. Die abschließende Vakuumentga
sung 22 findet in der dritten Niederdruckzone N3 bei einem Un
terdruck pv statt, der deutlich unter 0,5 bar liegt.
Bei der Rückwärtsextraktion nach Fig. 3 wird also das Trennme
dium im wesentlichen Rückwärts ausgetragen, es werden aber von
der Niederdruckzone N1 unter Überwindung der entsprechenden
Schmelzedichtung kleinere Mengen an Trennmittel in die folgende
zweite Niederdruckzone mitgenommen. Dies gilt auch für den
Transport der Schmelze von der zweiten Niederdruckzone N2 nach
N3.
Fig. 4 zeigt die Verfahrensvariante, bei der die zweite Nieder
druckzone N2 (wie bei Fig. 1) auf Gegenströmung des Trennmediums
eingestellt ist, während in der ersten Niederdruckzone N2
Schmelze und Trennmittel in eine Richtung fließen.
In Fig. 5 ist durch eine entsprechende Anordnung der Einlei
tungspfeile 34 und 36 sowie der Ableitungspfeile 35 und 37 das
Gleichstromprinzip insgesamt beibehalten.
Bei den nachfolgenden Beispielen sind die Beispiele 1 und 2
nicht Gegenstand dieser Erfindung. Sie sollen lediglich die Vor
teile des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand
der Technik verdeutlichen.
Ein Polyamid-6-Recyclat (Regranulat) mit einem ε-Caprolactamge
halt von 6.400 mg/kg wird in einem Gleichdrall-Zweischnecken-
Kneter, Typ ZSK 40, gemäß Fig. 2 behandelt, wobei die Nieder
druckzone 5 und 25 als Thermovakuumbehandlungszonen mit Vakuum
entgasung betrieben werden. Trenn- oder Schleppmittel werden
nicht zugegeben. Die so gereinigte Polymerschmelze wird an
schließend stranggranuliert und auf ε-Caprolactam analysiert.
Bei einem Durchsatz von 55 kg/h und einem Vakuum von 5 mbar über
der ersten Niederdruckzone 5 und 4 mbar über der zweiten Nieder
druckzone 25 wird der ε-Caprolactamgehalt auf 1.590 mg/kg, ent
sprechend einem Entlactamisierungsgrad von 75%, reduziert. Bei
dieser Verfahrensweise neigt das ε-Caprolactam dazu, sich in den
Leitungen zu dem Evakuiersystem niederzuschlagen und zu erhebli
chen technischen Schwierigkeiten zu führen, die nur mit großem
Aufwand überwunden werden können.
Das gleiche Ausgangsmaterial wie in Beispiel 1 wird unter Ein
satz von Wasser als Schleppmittel, aber sonst bei vergleichbaren
Verfahrensparametern wie in Beispiel 1, entgast. Über die Was
serdampfförderleitungen 19 und 33 werden je 0,85 kg/h Wasser in
die Kunststoffschmelze eingegeben. Das Vakuum beträgt 9 mbar
über der ersten Niederdruckzone 5 und 8 mbar über der zweiten
und der letzten Niederdruckzone 25 bzw. 9. Der ε-Caprolactamge
halt wird dabei auf 770 mg/kg, entsprechend einem Entlactamisie
rungsgrad von 88%, reduziert. Aufgrund der bereits erwähnten
Neigung von ε-Caprolactam, sich auf den Wänden der Leitungen zu
dem Evakuiersystem abzusetzen, kann ein störungsfreier Betrieb
auch hier nur unter großem Aufwand gewährleistet werden.
Ein Polyamid-6-Recyclat (Regranulat) mit einem ε-Caprolactamge
halt von 6.400 mg/kg wird in einem Gleichdrall-Zweischnecken-
Kneter, Typ ZSK 40, gemäß Fig. 1 durch Lösungsmittelextraktion
gereinigt. Bei einem Durchsatz von 20 kg/h werden über die Wasserdampfförderleitung 19
4 kg/h Wasser dem Extruder in der Hochdruckzone 7 bei einem
Druck von 12 bar absolut zugeführt. Mit Hilfe der Drosselvor
richtung 8 wird eine Schmelzedichtung aufgebaut, so daß das zu
gegebene Wasser größtenteils der Polymerschmelze entgegenströmt,
sich dabei zunehmend mit den zu extrahierenden Verunreinigungen
belädt und aus dem Extruder aus der Niederdruckzone 5 bei einem
Druck von 4 bar absolut abgeführt wird. Ein kleiner Teil des zu
gegebenen Wassers wird von der Polymerschmelze aufgenommen und
mit den verbliebenen Verunreinigungen in der letzten Nieder
druckzone 9 bei einem Vakuum von 1 mbar entfernt. Die gereinigte
Polymerschmelze 24 wird anschließend stranggranuliert und auf ε-
Caprolactam analysiert. Der ε-Caprolactamgehalt wird dabei auf
330 mg/kg, entsprechend einem Entlactamisierungsgrad von 95%,
reduziert.
Ein Polyamid-6-Recyclat (Regranulat) mit einem ε-Caprolactamge
halt von 6.400 mg/kg wird in einem Gleichdrall-Zweischnecken-
Kneter, Typ ZSK 40, gemäß Fig. 1 durch Lösungsmittelextraktion
gereinigt.
Bei einem Durchsatz von 20 kg/h werden 2 kg/h Wasser und 2,1 kg/h
Kohlendioxid dem Extruder in der Hochdruckzone 7 bei einem Druck von 65 bar
absolut zugeführt. Das zugegebene Trennmittel strömt größ
tenteils der Polymerschmelze entgegen, belädt sich dabei zuneh
mend mit den zu extrahierenden Verunreinigungen und wird aus dem
Extruder aus der Niederdruckzone 5 bei einem Druck von 6 bar ab
solut abgeführt. Ein Teil des zugegebenen Lösungsmittelgemisches
wird von der Polymerschmelze aufgenommen und mit den verbliebe
nen Verunreinigungen in der anschließenden letzten Niederdruck
zone 9 bei einem Vakuum von 12 mbar entfernt. Die gereinigte Po
lymerschmelze 24 wird anschließend stranggranuliert und auf ε-
Caprolactam analysiert. Der ε-Caprolactamgehalt wird dabei auf
590 mg/kg, entsprechend einem Entlactamisierungsgrad von 91%,
reduziert.
Ein Rohpolyamid-6 mit einem ε-Caprolactamgehalt von 9,3 Gew.%
wird in einem Gleichdrall-Zweischnecken-Kneter, Typ ZSK 40, ge
mäß Fig. 2 durch Lösungsmittelextraktion mit Wasser gereinigt.
Bei einem Durchsatz von 22 kg/h an Stoffgemisch werden über die
Wasserdampfförderleitung 19 8 kg/h Wasserdampf dem Extruder mit
einem Druck von 4 bar absolut zugeführt und weitgehend aus der
ersten Niederdruckzone 5 bei einem Druck von 3 bar absolut abge
führt. Der ersten Extraktion folgt eine zweite Extraktion. Dabei
wird über die Wasserdampfförderleitung 33 dem Extruder bei einem
Druck von 2 bar abs. Wasser zugeführt worauf das zugegebene Was
ser der Polyamidschmelze entgegenströmt, sich dabei zunehmend
mit den zu extrahierenden Restverunreinigungen belädt und aus
der zweiten Niederdruckzone 25 bei atmosphärischem Druck abge
führt wird. Ein Teil des zugegebenen Wassers wird von der Poly
merschmelze aufgenommen und mit den eventuell verbleibenden ge
ringen Mengen an Verunreinigungen in der anschließenden letzten
Niederdruckzone 9 bei einem Vakuum von 1 mbar entfernt. Die ge
reinigte Polymerschmelze 24 wird anschließend stranggranuliert
und auf ε-Caprolactam analysiert. Der ε-Caprolactamgehalt konnte
auf 640 mg/kg, entsprechend einem Entlactamisierungsgrad von
99,3%, reduziert werden.
Bei den erfindungsgemäßen Beispielen 3 bis 5 bleibt das extra
hierte Caprolactam stets in der wäßrigen Phase gelöst und führt
nicht zur Verstopfung von Rohrleitungen. Damit ist eine stö
rungsfreie, betriebssichere kontinuierliche Fahrweise gewährlei
stet.
Bezüglich der Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit ei
nem gasförmigen Trennmedium sei darauf verwiesen, daß aus PET
(Polyäthylentherephthalat) mit dem Trennmedium CO₂ die Nebenkom
ponente Acetaldehyd abgetrennt und auf 1 ppm Restgehalte an
Acetaldehyd gebracht werden konnte.
Claims (14)
1. Verfahren zur Trennung eines aus mehreren Komponenten be
stehenden Stoffgemisches, das als Hauptkomponente thermoplasti
sche Polymere und als abzutrennende Nebenkomponenten niedermoleku
lare Verbindungen enthält, durch Thermovakuumbehandlung einer
Schmelze des Stoffgemisches in einem Extruder mit mehreren Hoch-
und Niederdruckzonen, wobei in eine der der letzten Niederdruck
zone vorgeschalteten Hochdruckzonen unter dem Einleitungsdruck
(pe) ein Trennmedium, in dem die niedermolekulare Verbindung zu
mindest teilweise lösbar ist, in die Schmelze eingeleitet und
zum Teil aus einer dieser Hochdruckzone benachbarten Nieder
druckzone, in der ein gegenüber dem Einleitungsdruck (pe) gerin
gerer Restdruck (p) herrscht, als mit Nebenkomponenten beladenes
Trennmedium abgeführt und außerhalb des Extruders aufgefangen
wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze auf ihrem Weg durch den Extruder zunächst eine
Niederdruckzone mit einem Restdruck (p) durchläuft, der der Be
dingung
1 bar p pc(wobei pc der kritische Druck des Trennmediums ist) genügt, und
aus der mit Nebenkomponenten beladenes Trennmedium abgeführt
wird, bevor die Thermovakuumbehandlung der Schmelze durch
Vakuumentgasen bei einem Unterdruck (pu) < 0,5 bar, vorzugsweise
< 0,05 bar in der letzten Niederdruckzone erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der überwiegende Teil des in eine Hochdruckzone eingeleite
ten mit Nebenkomponenten beladenen Trennmediums gegenströmend
geführt und aus der dieser Hochdruckzone vorgeschalteten Nieder
druckzone abgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Thermovakuumbehandlung erst durchgeführt wird, nachdem
der Gehalt an niedermolekularen Verbindungen auf 10% des Aus
gangsgehaltes des Stoffgemisches an niedermolekularen Verbindun
gen angesenkt worden ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Restdruck (p) zwischen 1 und 8 bar liegt und die Einlei
tung des Trennmediums unter einem Druck (pe) erfolgt der in dem
durch die Funktion
p < pe < pc gegebenen Bereich liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, bei dem die
Schmelze zwei Hochdruckzonen durchläuft, in denen Trennmedium
unter Druck eingeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Hochdruckzonen zum Zonenbereich mit vorwiegender Rück
wärtsströmung gehören, daß vor beiden Hochdruckzonen eine Nie
derdruckzone, in der der definierte Restdruck (p) herrscht,
liegt, und daß aus beiden Niederdruckzonen beladenes Trennmittel
abgeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die an die Lösungsmittelextraktion unmittelbar anschließende
Ableitung des beladenen Trennmediums aus der entsprechenden Nie
derdruckzone bei einem Förderdruck (pf) erfolgt, der der Bedin
gung für den Restdruck (p) genügt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Trennmedium Wasser verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Trennmedium CO₂ oder N₂ verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Trennmedium ein Gemisch aus einem bei 20°C und 1 bar
abs. flüssigen Lösungsmittel und CO₂ oder N₂ verwendet wird.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9
zur Abtrennung niedermolekularer Verbindungen im Zuge der Aufbe
reitung von Recyclat-Kunststoff und Recyclat-Kunststoffgemi
schen.
11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9
zur Thermovakuumbehandlung eines Rohkunststoffes als Stoffge
misch.
12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9
auf ein Stoffgemisch mit der Hauptkomponente Polyamid 6 und der
Nebenkomponente ε-Caprolactam.
13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für
den Zweck nach Anspruch 10 und/oder 11 und/oder 12,
unter Verwendung von Wasser als Trennmedium, das als Wasserdampf
in die Schmelze eingeleitet wird, mit der Maßgabe, daß minde
stens 200% Wasser, bezogen auf den anfänglichen Massegehalt des
Substrats an Nebenkomponenten eingeleitet werden.
14. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 4 bis 6 für
den Zweck nach Anspruch 10 und/oder 11 und/oder 12, mit der Maß
gabe, daß in die erste Hochdruckzone mehr als 50 Masse%, in
die der abschließenden Thermovakuumbehandlung näher liegende
zweite Hochdruckzone weniger als 50 Masse% des Wassers einge
leitet werden, daß der Restdruck (p₁) in der der ersten Hoch
druckzone vorgeschalteten Niederdruckzone höher ist als der
Restdruck (p₂) in der zweiten Niederdruckzone und daß die Dif
ferenz (p₂-p₁) der Restdrücke mindestens 1 bar beträgt.
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