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Unterwassergranulierungen (UWG) in der Polyamid 6-Herstellung Seit vielen Jahrzehnten wird Polyamid 6 in kontinuierlichen Polymerisationsanlagen hergestellt. Die anfänglich eingesetzten Granuliersysteme mit Strangkühlbad und Trockenschnitt sind auch heute noch teilweise im Einsatz. Später haben sich dann Systeme mit automatischer Strangzuführung und Nassschnitt durchgesetzt. Seit mehr als zehn Jahren sind nun Unterwasser-Granulier-Systeme in PA6-Polymerisationsanlagen im Einsatz. Ein ausführlicher Systemvergleich zwischen der Unterwassergranulierung (UWG) und den verschiedenen Versionen von Stranggranulierungen zeigt, wo der Trend hingeht.

Klassische Stranggranulierungen mit Kühlbad erfordern einen hohen personellen Überwachungsaufwand. Sie sind praktisch nicht automatisiert und haben deshalb eine vergleichbar geringe Verfügbarkeit. Daher werden immer mehrere redundante Systeme benötigt, was die Instandhaltungskosten in die Höhe treibt. Durch die Verteilung der Gesamtkapazität auf viele Einzelmaschinen ist das Ausfallrisiko der Gesamtanlage jedoch minimiert und Anlagenverfügbarkeiten von über 99% sind so realisierbar. Das hohe Alter dieser Art von Maschinen bedingt jedoch eine zunehmend eingeschränkte Verfügbarkeit von Ersatzteilen und birgt damit erhebliche Risiken. Beim Einsatz eines Granuliersystems mit einer automatischen Strangzuführung wird meist auf redundante Maschinen verzichtet. Nur bei höheren Anlagendurchsätzen erscheint der Einsatz von parallel arbeitenden Systemen sinnvoll, da diese Systeme in der Investition und Erhaltung deutlich kostenintensiver sind. Das Ausfallrisiko der Gesamtanlage ist bei Einzelmaschinen deshalb im Vergleich am höchsten. Ebenfalls hoch ist der Platzbedarf für Strang-Granuliermaschinen. Zur Sicherung eines zuverlässigen Betriebs und einer guten Granulatqualität erfordern Stranggranulierungen eine häufige Reinigung, Inspektion und Wartung der Schneidwerkzeuge. Üblicherweise werden diese Arbeiten während einer geplanten Produktionsunterbrechung ein bis zwei Mal wöchentlich durchgeführt. Das für diese Wartungsarbeiten erforderliche, besonders geschulte Fachpersonal, sowie weiteres Personal für die Reinigungsarbeiten muss beim Betreiber auch für spontane Maschinenausfälle ständig vorgehalten werden. Insgesamt erreichen solche Anlagen in der Regel Verfügbarkeiten von maximal 96%. Für Maschinenbaureihen vor 1990 sind inzwischen einige Verschleiß- und Ersatzteile nicht mehr beschaffbar und es muss auf Gebrauchtmaschinen als Ersatzteilspender

Bild 1: Komplette Unterwassergranulierung

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oder auf teure Nachbauten zurückgegriffen werden. Die Schneidrotore sind regelmäßig nachzuschleifen. Zu diesem Zweck müssen sie ausgebaut und an spezialisierte Reparaturwerkstätten eingeschickt werden. Diese Reparaturen sind teils langwierig und teuer, so dass teure Ersatz-Rotore beim Betreiber vorgehalten werden müssen.

An Unterwassergranulierungen entfallen Reinigungs- und Einstellarbeiten fast vollständig. Beispielsweise erfolgt die Anpressung der Schneidmesser kontinuierlich während laufender Produktion. Erzwungene Produktionsunterbrechungen wie bei Strang-Granulierungen sind hierfür nicht erforderlich. So werden in der Praxis unterbrechungsfreie Maschinenlaufzeiten von mehreren Wochen und Monaten erreicht. Bei Ausfall einer Maschine genügt in der Regel ein erfahrener Bediener zur Beseitigung der Störung und schnellen Inbetriebnahme. Für das Nachschleifen der Lochplatten sind Werkzeuge verfügbar, welche direkt auf den Granulator gespannt werden können und das Nachschleifen innerhalb weniger Minuten innerhalb der Linie und ohne aufwändige Demontagearbeiten erledigen. In größeren Polymerisationsanlagen werden auch bei Unter-Wasser-Granuliersystemen gern redundante Maschinen eingesetzt, in der Regel je Reaktorlinie zwei Stück parallel. So kann mindestens 50% der Anlagenkapazität bei Ausfall einer Maschine abgesichert werden. Auf Grund des hohen Automatisierungsgrades erreichen Unterwassergranulierungen Verfügbarkeiten von über 98%, was bei mehreren redundanten Maschinen Gesamtanlagenverfügbarkeiten von mehr als 99% ermöglicht. In kleineren Anlagen wird wegen der hohen Verfügbarkeit aber oft auf eine redundante Maschine verzichtet und stattdessen lediglich ein Stand-By-Granulator, welcher innerhalb weniger Minuten in Betrieb genommen werden kann, eingesetzt. Systemaufbau von Unterwassergranulierungen Je nach Aufgabenstellung bieten sich unterschiedliche Konzepte zum Austrag der Schmelze aus einem oder mehreren Reaktoren und die anschließende Verteilung auf ein oder mehrere Granulierungen an. Dabei muss der Schmelzestrom aus jedem Polymerisationsreaktor mit einem totraumfreien Absperrschieber unterbrochen werden können. Beim Einsatz von mehreren Granulierungen wird der Schmelzestrom mit totraumfreien Verteilarmaturen aufgeteilt. Zahnradpumpen übernehmen den Schmelzeaustrag und die Druckerhöhung. Zum Ausfiltern von Inhomogenitäten kommen Bolzen-Siebwechsler in diskontinuierlich oder kontinuierlich

Bild 2: Inline-Schleifvorrichtung für Lochplatten

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arbeitender Ausführung zum Einsatz. Vor jeder einzelnen Unterwassergranulierung wird ein Anfahrventil angeordnet. Daran schließt sich die Lochplatte mit der sogenannten Wasserbox, in der das Polymer geschnitten wird, und dem Granulator an. Ein unverzichtbarer Anfahrbypass dient dem schnellen, sicheren und reproduzierbaren An- und Abfahren des Granulierprozesses. Die Abtrennung des Granulats vom Prozesswasser erfolgt in einem speziellen Zentrifugaltrockner. Eventuell entstandene Agglomerate werden zuvor über einen Agglomeratabscheider aus dem Prozess ausgeschleust. Eine Vorentwässerung zur Entlastung des Granulattrockners sollte sinnvoller Weise verwendet werden. Empfehlenswert ist auch der Einsatz eines Klassiersiebes, um Über- und Unterkorn abzutrennen.

Zur kontinuierlichen Aufbereitung und Kreislauffahrweise des Prozesswassers dient ein besonderes Wassersystem mit Filtration und Heizung bzw. Kühlung. Beim Einsatz mehrerer Granulierungen wird gern auf ein gemeinsames Wassersystem zurückgegriffen. Wichtige Nebenaggregate für diesen Anlagenaufbau sind die Hydraulikaggregate für den Betrieb hydraulischer Schmelzeschieber, Siebwechsler und Anfahrventile, sowie Temperiergeräte für die hydraulische Beheizung von Komponenten, wie etwa der Schmelzepumpe, dem Schmelzeschieber und dem Siebwechsler. Alternativ sind elektrische oder dampfbeheizte Aggregate möglich. Bei größeren Granulierungen wird auch eine hydraulische Beheizung der Lochplatten erforderlich. Eine gute Isolierung der beheizten Komponenten reduziert dabei den Energiebedarf und die Wärmeverluste. Die gesamte Granulieranlage wird von einer komfortablen Steuerung als Package-Unit überwacht und gesteuert. Über eine Koppelung der Steuerung an übergeordnete Prozessleitsysteme kann die Visualisierung und ein Datenaustausch realisiert werden.

Bild 3: Anfahrventil mit Lochplatte und Wasserbox

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Investitionskostenvergleich Auf den ersten Blick erscheint eine Unterwassergranulierung nur geringfügig günstiger als eine Stranggranulierung mit automatischer Strangzuführung. Betrachtet man jedoch das Gesamtbild, so ist die UWG klar im Vorteil. Auf Grund der deutlich geringeren Aufstellfläche und des geringeren Aufwandes für Reserveaggregate ist eine Unterwassergranulierung in der Investition deutlich preiswerter. Auch in Altbauten bietet die Unterwassergranulierung wegen einer wesentlich flexibleren Aufstellung klare Vorteile: Es können wertvolle Baufläche und Baukosten gespart werden. Eine Absaugung und Aufbereitung von Monomerhaltiger Abluft ist bei der Unterwassergranulierung nicht erforderlich. Dies bietet auch genehmigungsrechtliche Vorzüge. Bei der Anordnung der Komponenten müssen viele Aspekte berücksichtigt werden und es Bedarf großer Erfahrung bei Konzept, Planung und Auslegung. Beispielsweise bedeutet eine hängende Anordnung des Granulators, dass dieser nur sehr aufwändig gewechselt werden kann. Hierfür sind dann auch spezielle Vorrichtungen erforderlich. Die Hängekonstruktion selbst stellt eine zusätzliche, sonst nicht erforderliche Stahlkonstruktion dar und treibt die Baukosten nach oben. Energiekostenvergleich Auch energetisch bietet die Unterwassergranulierung klare Vorteile gegenüber der Stranggranulierung. Auf Grund der geringeren erforderlichen Antriebsleistungen, deutlich geringerer Heizleistungen und eines günstigeren Trocknerprinzips ergeben sich deutliche Energieeinsparungen. Das Haupteinsparungspotential liegt bei der Prozesskühlung. Stranggranulierungen müssen in der Polyamid 6-Herstellung mit Kaltwasser zum Teil deutlich unterhalb 20°C betrieben werden, während die Unterwassergranulierung mit normalem Kühlwasser auskommt und bei höheren Temperaturen arbeitet. Da das Granulat den Trockner dadurch auch deutlich wärmer verlässt, muss demzufolge weniger Energie für die erneute Aufheizung in der Extraktion aufgewandt werden. Die Unterwassergranulierung kommt außerdem mit etwa der Hälfte des zirkulierenden Granulierwassers wie bei einer Stranggranulierung aus. Dadurch können auch Pumpen kleiner dimensioniert werden und sind geringere Antriebsleistungen hierfür erforderlich. Verfahrenstechnische Vorteile Wegen des geschlossenen Systems bei der Unterwassergranulierung entweichen keinerlei Monomerdämpfe. Stattdessen wird das Monomer im Prozesswasser gelöst. Dabei werden Extrakt-Konzentrationen von mehr als 10% erreicht, die eine Aufbereitung des Prozesswassers zur Rückgewinnung des Monomers wirtschaftlich sinnvoll machen. Dadurch ist eine UWG praktisch abwasserfrei und es wird zusätzlich Geld für Rohstoffe eingespart.

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Deutliche Vorteile ergeben sich auch aus der Granulatform selbst. Durch die Kugelform wird bei der anschließenden Extraktion und Trocknung des Granulates bei der Herstellung eine Kapazitätsreserve geschaffen. Diese kann bei bestehenden Anlagen je nach Anlagendesign bei über 10% liegen, ohne dass wesentliche Ausrüstungen getauscht werden müssen. Bei Neuanlagen können diese Apparate kleiner dimensioniert werden. Der Grund hierfür liegt in der Begünstigung der physikalischen Vorgänge bei der diffusions-getriebenen Extraktion. Auch bei der Trocknung, deren Triebkraft die Differenz der Wasserdampf-Partialdrücke im Granulat und Trocknungsgas ist, wirkt sich die kugelige Granulatform positiv aus. Wegen der in allen Richtungen gleichen Wege für die extrahierbaren Bestandteile bzw. Restfeuchte aus dem kugelförmigen Granulatkorn erfolgt die Extraktion und Trocknung wesentlich homogener und schneller. Außerdem sind die Kontaktflächen zwischen den kugelförmigen Granulatkörnern in der Schüttung auf Punktflächen begrenzt, wodurch sich dem Extraktionswasser bzw. Trocknungsgas deutlich größere Oberflächen bieten und gleichzeitig die Druckverluste durch die Granulatschüttung hindurch reduziert werden. Aber auch bei der Verarbeitung von kugelförmigem Granulat ergeben sich praktische Vorteile. Es kann festgestellt werden, dass sich ein besseres Dosierverhalten auf Grund einer verbesserten Fließfähigkeit des Kugel-Granulates ergibt. Der Einzug des Granulates in den Extruder und das Aufschmelzverhalten werden hierdurch ebenfalls begünstigt. Deshalb werden geringere Antriebsleistungen benötigt, was wiederum deutliche Energieeinsparungen zur Folge hat. Marketing-Handicap – Granulatform? In den vergangenen Jahren haben marktführende Hersteller nahezu ihre gesamte Kapazität auf Unterwassergranulierungen umgestellt und so den Markt mit kugelförmigem Granulat beliefern zu können. Mittlerweile hat diese Technologie im Bereich der Polyamid 6-Herstellung einen Marktanteil von über 20% an der weltweiten Gesamtkapazität erreicht und den Stranggranulierungen den Rang abgelaufen. Dieser Trend setzt sich eindeutig weiter fort. Bei Neuanlagen wird nahezu ausschließlich Unterwasser-Granuliertechnik eingesetzt. Da sich auch bei der Verarbeitung des kugelförmigen Granulates Vorteile ergeben, setzen Verarbeiter zunehmend auf dieses Material. Insbesondere bei Spinnanwendungen in Fernost, aber auch

Bild 4: Granulattrockner mit Wassersystem

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zunehmend im Compoundbereich hat sich die Granulatform durchgesetzt und es wird in den nächsten Jahren ein weiterer deutlicher Zuwachs erwartet.

Fazit In den letzten elf Jahren hat sich die Unterwasser-Granuliertechnik in der Polyamid 6-Polymerisation durchgesetzt und die klassische Stranggranulierung verdrängt. Namhafte Hersteller haben nahezu Ihre gesamte Produktion auf Unterwassergranulierungen umgestellt. Neuanlagen werden fast ausnahmslos mit dieser Technologie ausgerüstet. Dieser Trend wird durch die Vorzüge der Unterwassergranulierung bei den Investitions- und Betriebskosten, kurze Amortisationszeiten aber auch durch die sich ergebenden verfahrentechnischen Vorteile begründet. Kugelförmiges Polyamid 6-Granulat ist auf Grund seiner guten Verfügbarkeit und Vorteile bei der Verarbeitung inzwischen im Markt bevorzugt. Bei der Planung, Auslegung und dem Aufbau einer Unterwassergranulierung sind vielfältige Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Die BKG Bruckmann & Kreyenborg Granuliertechnik GmbH aus Münster ist Marktführer und Vorreiter bei der Einführung der Unterwassergranulierung in Polymerisationsanlagen. Der Autor Maik Weber studierte chemische Technologie an der Fachhochschule Magdeburg. Seit 1990 war er zunächst bei der BASF und später bei DOMO tätig. Als Produktionsleiter und Projektleiter kann er auf umfangreiche praktische Erfahrung und Fachwissen zurückgreifen. Seit 2007 betreibt er ein Beratungs- und Vertriebsbüro mit Schwerpunkt Polymertechnologie. Er ist Mitglied im VDI sowie im POLYKUM e.V. und WIP e.V. KVI Weber, Schleswiger Str. 6, 06749 Bitterfeld, www.kvi-weber.de, Tel. 03493 360279

Bild 5: Kugelförmige Unterwassergranulate