Die meisten Polyetherpolyole für Polyurethan entstehen durch Anlagerung von Propylenoxid oder Ethylenoxid an einen Startalkohol wie Glycerin oder Propylenglykol, mit KOH oder NaOH als Katalysator. Danach folgt die Katalysatorentfernung: Der Katalysator wird mit Säure neutralisiert oder an ein Magnesiumsilikat-Adsorbens gebunden, und die Feststoffe werden aus einer heißen, viskosen Flüssigkeit abfiltriert. Hochaktive DMC-Katalysatoren machen diesen Schritt bei manchen Typen überflüssig, doch KOH-katalysierte Polyole, EO-gecappte Typen, PEG und PPG benötigen ihn weiterhin. Der Filtrationsschritt bestimmt, wie vollständig die Feststoffe zurückgehalten werden, wie viel Polyol mit dem Kuchen verloren geht und wie der Kuchen anschließend gehandhabt wird.
Warum ist die Katalysatorentfernung aus Polyetherpolyolen eine anspruchsvolle Filtrationsaufgabe?
Die Feststoffe können fein sein, die Flüssigkeit ist viskos, und der Kuchen hält Produkt zurück. Je nach Führung der Neutralisation können Kaliumsalze, die mit Schwefel- oder Phosphorsäure entstehen, als sehr feine Partikel ausfallen. Magnesiumsilikat, das zur Bindung des Katalysators zugegeben wird, muss vollständig zurückgehalten werden, da jeder Durchbruch Kalium ins Filtrat trägt. Die Viskosität erfordert eine Filtration bei erhöhter Temperatur, und der Prozess läuft unter Stickstoff, um Oxidation und Verfärbung zu vermeiden.
Die erreichbaren Durchsätze hängen von Viskosität, Feststoffgehalt, Filterhilfsmittelzugabe und Partikelgrößenverteilung ab. DrM hat Polyole mit Leistungen von 60 bis 1.500 L/m²·h filtriert. Der entstehende Kuchen ist polyolfeucht und kann je nach Temperatur und Viskosität beim Austrag klebrig sein. In einigen berichteten Fällen mit anderen Filtertypen haftete der Kuchen am Behälter und musste von Hand entfernt werden. Im Kuchen verbleibendes Polyol ist verlorenes Produkt und erhöht die Entsorgungskosten.
Polyetherpolyol-Herstellung mit KOH-Katalysator: Beide Wege der Katalysatorentfernung enden in der Filtration.
Wie trennt ein Kerzenfilter Salze und Magnesiumsilikat vom Polyol?
Ein Kerzenfilter hält die Feststoffe auf Kunststofftüchern in einem Druckbehälter zurück und trägt sie durch Gasrückblasen aus. Im FUNDABAC® Kerzenfilter wird das Polyol in den Behälter gepumpt und strömt durch die mit Tüchern bespannten Kerzen, während sich die Feststoffe außen als Kuchen aufbauen. In einem Vorfiltrationsschritt wird das Filtrat im Kreislauf gefahren, bis die Reinheitsvorgabe bestätigt ist, entweder durch ein Trübungsmessgerät am Filtratauslauf oder durch Labortests in jedem Zyklus, und dann weitergeleitet.
Die Kunststofftücher haben eine deutlich kleinere Porengröße als die Metallsiebe mancher Druckfilter, sodass eine Anschwemmschicht normalerweise nicht erforderlich ist. Magnesiumsilikat ist relativ grob und wirkt selbst wie ein Filterhilfsmittel, sodass damit behandeltes Polyol oft ganz ohne zusätzliches Filterhilfsmittel filtriert wird. Auch nach einer Säureneutralisation hat die Filtration ohne Filterhilfsmittel in Versuchen gute Ergebnisse erzielt.
Nach der Filtration wird der Kuchen mit Stickstoff auf bis zu 70 % Trockensubstanz getrocknet. Ein Gasrückstoß weitet das Tuch und löst den Kuchen, der über den Bodenauslass ausgetragen wird. Da der Kuchen im Filter getrocknet wird, erfolgt der Austrag vollständig, ohne die manuelle Reinigung, die nötig ist, wenn ein nasser, klebriger Kuchen am Filter haftet. Bei Bedarf kann der Kuchen in einen geschlossenen Behälter ausgetragen werden.
Wie verringert die Restvolumenfiltration Polyolverluste zwischen Chargen und Produkttypen?
Die Restvolumenfiltration (Heel Volume Filtration) filtriert die unterhalb der Kerzen verbleibende Flüssigkeit, sodass die gesamte Charge den Kuchen passiert. Am Ende der Filtration wird das Restvolumen über Sprühdüsen oben in den Behälter zurückgepumpt und über die gesamte Kerzenfläche filtriert. Dieser patentierte Schritt unterscheidet sich von Bauarten, bei denen für das Restvolumen nur ein kleiner Teil der Filterfläche zur Verfügung steht, etwa die Restfiltrationsplatten horizontaler Plattenfilter mit Zentrifugalaustrag. Für Hersteller, die mehrere Polyoltypen in Kampagnen fahren, zählt das bei jedem Produktwechsel: Jede Charge wird vollständig filtriert, ohne ein großes Restvolumen eines Typs in den nächsten zu verschleppen.
Wie schneidet der FUNDABAC® im Vergleich zu Filterpressen und horizontalen Plattenfiltern ab?
| Parameter | FUNDABAC® | Filterpresse | Horizontaler Plattenfilter |
|---|---|---|---|
| Geschlossener Betrieb unter Stickstoff | Während Filtration und Trocknung | Zum Austrag geöffnet | Ja |
| Kuchenaustrag | Gasrückblasen, trockener Kuchen | Manuell; Polyolkuchen kann kleben | Zentrifugal, rotierende Platten |
| Restvolumenfiltration | Gesamte Filterfläche (patentiert) | Nicht zutreffend | Begrenzt, über Restfiltrationsplatte |
| Typische Filtermedien | Kunststofftuch, meist ohne Anschwemmung | Tuch, oft mit Filterhilfsmittel | Metallsiebe, meist angeschwemmt |
| Bewegte Teile im Behälter | Keine | Plattenverschiebemechanismus | Rotierende Welle und Dichtung |
| Automatisierung | Vollautomatisch | Arbeitsintensiver Austrag | Automatisiert |
Der FUNDABAC® hat keine rotierenden Teile oder Wellendichtungen im Behälter. Das wichtigste Verschleißteil ist das Kunststoff-Filtertuch, das typischerweise alle 6 bis 18 Monate gewechselt wird, abhängig von der Produktionshäufigkeit und der Tuchpflege während Stillständen. Filtermedien sind in PP, PVDF, PTFE, PPS, PEEK, PE und Edelstahl 316L erhältlich. Standardausführungen arbeiten bis 180 °C, Sonderausführungen bis 350 °C.
Wo wird der FUNDABAC® in der Polyolproduktion eingesetzt, und wie wird ein Filter ausgelegt?
DrM hat mehr als 110 FUNDABAC® Filter für die Polyol- und Polyglykolproduktion in 18 Ländern in Europa, Asien und Amerika geliefert, für Polyurethan-Polyole ebenso wie für PEG und PPG. Industrieanlagen reichen bis zu mehr als 100 m² Filterfläche.
Filtergröße und Filterhilfsmittelbedarf sind prozessspezifisch. Sie hängen unter anderem von Viskosität, Chargengröße, Reaktionszeit und Feststoffbeladung ab, und da die meisten Polyolanlagen im Chargenbetrieb arbeiten, beeinflusst die Chargengröße die erforderliche Filtergröße stark. DrM testet mit der realen Suspension, vom Labormaßstab mit 0,012 m² über Pilotfilter bis zu Industrieanlagen mit bis zu 300 m², nach denselben Funktionsprinzipien in jedem Maßstab.
Wo Polyole noch mit alkalischen Katalysatoren hergestellt werden, ist die Katalysatorentfernung ebenso ein Filtrations- wie ein Chemieproblem. Die Neutralisations- oder Adsorbenschemie bestimmt den erreichbaren Restkaliumgehalt. Der Filter bestimmt, wie vollständig die Feststoffe zurückgehalten werden, wie viel Polyol mit dem Kuchen verloren geht und in welchem Zustand der Kuchen ausgetragen wird.
Das Wichtigste in Kürze
- KOH-katalysierte Polyetherpolyole erfordern die Abtrennung von Neutralisationssalzen oder Magnesiumsilikat-Adsorbens durch Filtration.
- Kerzenfilter mit Kunststofftuch filtrieren Polyol normalerweise ohne Anschwemmung, oft ohne zusätzliches Filterhilfsmittel.
- Gasrückblasen trägt den Polyol-Filterkuchen nach der Trocknung im Filter mit bis zu 70 % Trockensubstanz aus.
- Die Restvolumenfiltration verarbeitet die gesamte Charge und begrenzt Polyolverluste und Verschleppung zwischen Produkttypen.
- Mehr als 110 FUNDABAC® Filter sind in der Polyol- und Polyglykolproduktion in 18 Ländern in Betrieb.
Häufig gestellte Fragen
Müssen Polyole, die mit DMC-Katalysatoren hergestellt werden, filtriert werden?
Nicht immer. Hochaktive DMC-Katalysatoren werden in so geringen Konzentrationen eingesetzt, dass der Katalysator oft im Polyol verbleiben kann und kein Entfernungsschritt nötig ist. Mit KOH oder NaOH hergestellte Polyole, darunter viele EO-gecappte Typen, PEG und PPG, erfordern weiterhin eine Neutralisation oder Adsorbensbehandlung mit anschließender Filtration.
Bestimmt der Filter den Restkaliumgehalt im Polyol?
Nein. Die Neutralisations- oder Adsorbenschemie bestimmt, wie viel Kalium aus dem Polyol entfernt wird. Aufgabe des Filters ist es, die entstehenden Salze oder das Adsorbens vollständig zurückzuhalten, damit keine Feststoffe Kalium ins Filtrat tragen. Die Filtratqualität wird üblicherweise mit einem Trübungsmessgerät oder durch Labortests in jedem Zyklus bestätigt.
Sollte Polyol vor oder nach dem Wasserstrippen filtriert werden?
Beide Anordnungen kommen vor. In einem gängigen Fließbild folgt die Filtration auf die Neutralisation oder Adsorbensbehandlung und eine optionale Phasentrennung, und Wasser und flüchtige Bestandteile werden danach gestrippt. Der Wassergehalt beeinflusst die Filtrierbarkeit und wie klebrig der Kuchen wird, daher wird die beste Position des Filters durch Versuche mit dem realen Prozess bestätigt.
Was geschieht mit dem Filterkuchen nach dem Austrag?
Der Kuchen wird im Filter mit Stickstoff getrocknet und mit bis zu 70 % Trockensubstanz und geringem Restpolyolgehalt ausgetragen. Bei dieser Trockenheit klebt der Kuchen nicht, und der Austrag erfolgt vollständig. Ein Waschen des Kuchens zur Rückgewinnung von weiterem Polyol ist unüblich, da es zusätzliche Schritte erfordert, um das Polyol von der Waschflüssigkeit zu trennen.
Welche Angaben werden für die Auslegung eines Polyolfilters benötigt?
Wichtige Eingangsgrößen sind die Polyolviskosität bei Filtrationstemperatur, die Chargengröße, Art und Menge der Feststoffe sowie die verfügbare Zykluszeit zwischen den Chargen. Da die Filtrierbarkeit davon abhängt, wie der Neutralisations- oder Adsorbensschritt geführt wird, legt DrM Filter auf Basis von Versuchen mit der realen Suspension aus, vom Labormaßstab über Pilotfilter.
