Kunststoffrecyclinganlagen rüsten auf Einschneckenextruder für HDPE-Granulieranlagen auf

TL;DR —Anlagen zur Kunststoffrecycling, die auf Einschneckenextruder für HDPE-Granulieranlagen umrüsten, stehen vor fünf miteinander verbundenen Prozessentscheidungen: Korrelation des Durchsatzes mit der Aufgabedichte, Auswahl des L/D-Verhältnisses für verunreinigtes versus neues Aufgabematerial. Bildschirmwechsler Drucksteuerung, Temperaturkonstanz im Stranggranulator und Entgasungskonfiguration für Post-Consumer-Materialien. Basierend auf 30 Jahren Erfahrung in der Extrusionstechnik bei Shanghai Jurry Plastic Machinery und Daten aus 47 HDPE-Granulieranlagen in 12 Ländern liefern wir spezifische Prozessparameter für jeden Entscheidungspunkt.

1. Durchsatz bei der HDPE-Pelletierung: Korrelation der Ausstoßrate mit der Dichte des Aufgabematerials

Der häufigste Spezifikationsfehler in Angebotsanfragen für HDPE-Granulat ist die Annahme, dass der Extruderdurchsatz unabhängig von der Schüttdichte linear mit der Schneckendrehzahl skaliert. Tatsächlich hängt der Durchsatz von der Schüttdichte des Ausgangsmaterials ab, die zwischen Neuware-Granulat (550–600 kg/m³) und Post-Consumer-Regranulat-Flakes (180–350 kg/m³, abhängig von Flockengröße und Verunreinigungsgrad) um bis zu 3:1 variiert.

Bei Shanghai Jurry Plastic Machinery haben wir seit 2010 weltweit über 47 Einschneckenextruder für HDPE installiert – von Pilotanlagen mit einer Kapazität von 200 kg/h bis hin zu Produktionslinien mit 2.000 kg/h. Unser Standard-Einschneckenextruder SJ-120 (120 mm Schneckendurchmesser, L/D-Verhältnis 28:1, 110 kW Hauptantrieb) verarbeitet Neuware-HDPE-Granulat mit einer Leistung von 450–500 kg/h. Dieselbe Maschine produziert mit Post-Consumer-HDPE-Flaschenflocken (Schüttdichte 280 kg/m³) lediglich 280–320 kg/h – eine Durchsatzreduzierung von ca. 38 %.

Die Korrelation, die wir für die Kapazitätsplanung verwenden, basiert auf einer modifizierten Gleichung für die volumetrische Füllmenge: Q = (π/4) × D² × N × h × ηv × k, wobei D der Schneckendurchmesser in Metern, N die Schneckendrehzahl in U/min, h die Kanaltiefe in der Aufgabezone in Metern, ηv der volumetrische Wirkungsgrad (typischerweise 0,30–0,45 bei optimaler Zuführung) und k der Schüttdichtekompensationsfaktor ist. Für die Zuführung von Neuware-Pellets gilt k = 1,0. Für Post-Consumer-Flakes mit einer Dichte von 250 kg/m³ gilt k = 0,42–0,48. Dies bedeutet, dass eine für Neuware mit 60 U/min ausgelegte Schnecke mit etwa 125–143 U/min laufen muss, um den Durchsatz bei Flakes mit niedriger Dichte zu erreichen – diese Drehzahlerhöhung kann jedoch die zulässige Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke überschreiten.

Wir testeten dies 2024 mit einem spanischen Recyclingunternehmen, das HDPE-Flaschenflocken in verschiedenen Farben (Schüttdichte 310 kg/m³, durchschnittliche Flockengröße 8 mm) auf einer SJ-120 verarbeitete. Bei 55 U/min betrug die Leistung 310 kg/h. Bei 85 U/min erreichte die Leistung 460 kg/h. Allerdings stieg die Schmelztemperatur bei 85 U/min von 215 °C auf 237 °C und näherte sich damit der Zersetzungsgrenze von HDPE von 240 °C. Das Recyclingunternehmen musste den Durchsatz auf 400 kg/h bei 75 U/min reduzieren, um die Schmelztemperatur unter 230 °C zu halten. Dies zeigt, dass die Schneckendrehzahl allein eine geringe Schüttdichte nicht kompensieren kann, ohne die Schmelzqualität zu beeinträchtigen.

Wir empfehlen Recyclinganlagen, in der Angebotsanfrage nicht nur den Zieldurchsatz, sondern auch den erwarteten Schüttdichtebereich des Aufgabematerials anzugeben. Eine Maschine, die für 500 kg/h bei Neuware-Pellets ausgelegt ist, aber 80 % der Zeit mit Flocken unterschiedlicher Dichte betrieben werden soll, wird um 35–40 % unterkornig sein, sofern das Zuführsystem keinen Stopfer oder Vorverdichtungsförderer umfasst. Produktseite für Einschneckenextruder beinhaltet einen Durchsatzrechner, der die Schüttdichte als Eingabeparameter akzeptiert.

2. Auswahl des L/D-Verhältnisses der Schnecke für die Zufuhr von kontaminiertem recyceltem HDPE im Vergleich zu Neuware.

Das L/D-Verhältnis (Länge zu Durchmesser) des Extruderschnecke Bestimmt die Verweilzeit, die Mischintensität und die für die Verarbeitung verfügbare Schmelzkapazität. Für die Granulierung von Neuware-HDPE ist ein Flüssigkeits-/Trockenmasseverhältnis (L/D) von 25:1 oder 28:1 üblich. Für recyceltes HDPE aus Verbraucherabfällen, das Papieretiketten, Klebstoffreste und unterschiedliche Molekulargewichtsfraktionen enthält, empfehlen wir ein L/D-Verhältnis von 30:1 bis 33:1.

Die um 2–5 Durchmesser verlängerte Schneckenlänge bietet drei spezifische Vorteile für Recyclingmaterial. Erstens ermöglicht die verlängerte Übergangszone eine gleichmäßigere Kompression der Flocken mit niedriger Schüttdichte – wodurch das Risiko von Brückenbildung im Einzugsbereich verringert wird. Zweitens ermöglicht die längere Dosierzone eine längere Homogenisierungszeit für Material mit einem breiten Viskositätsbereich. Wir haben die Viskosität von Post-Consumer-HDPE aus gemischten kommunalen Recyclingströmen mit einem Kapillarrheometer (Göttfert Rheograph 25) bei 190 °C gemessen und einen Schmelzflussindex (MFI) von 0,8–3,2 g/10 min über 47 Proben aus einer einzigen Recyclinganlage ermittelt – eine Variation um den Faktor 4. Eine Schnecke mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D) von 33:1 reduzierte die Standardabweichung des MFI am Ausgang von ±0,45 g/10 min (bei einer Schnecke mit einem L/D-Verhältnis von 25:1) auf ±0,18 g/10 min – eine Verbesserung der Konsistenz des Ausgangsmaterials um 60 %.

Drittens ermöglicht die längere Schnecke ein höheres Kompressionsverhältnis ohne übermäßige Scherung. Unsere Standard-Recyclingschnecke für HDPE verwendet ein Kompressionsverhältnis von 3,5:1 (gegenüber 3,0:1 bei Neuware) in Kombination mit einer Barriere-Schneckenstufe im Übergangsbereich. Die Barriere-Schnecke trennt das Schmelzbad vom Feststoffbett, sodass eingeschlossene Luft oder flüchtige Bestandteile durch den Feststoffkanal entweichen können, anstatt in den Schmelzestrom mitgerissen zu werden.

Wir haben für einen Recyclingbetrieb in Malaysia eine 33:1 L/D-Einschneckenanlage zur Verarbeitung von HDPE-Flaschenflocken mit einem durchschnittlichen Anteil von 3,7 % an Nicht-HDPE-Verunreinigungen (Etiketten, Verschlüsse, Feinanteile) errichtet. Im sechsmonatigen Betrieb bei einer Durchsatzleistung von 420 kg/h erreichte die Anlage eine Verfügbarkeit von 97,2 % bei nur drei Siebwechseln pro 8-Stunden-Schicht. Die vorherige 25:1 L/D-Anlage desselben Verarbeiters erforderte Siebwechsel alle 45 Minuten und wies eine Verfügbarkeit von 89 % auf.

Der Kostenunterschied zwischen einem 28:1- und einem 33:1-L/D-Zylinderlauf mit Schneckenbaugruppe für eine SJ-120 beträgt ca. 15 % – etwa 12.000 bis 18.000 US-Dollar, abhängig von der Spezifikation des Bimetallzylinders. Erfahrungsgemäß amortisiert sich dieser Aufpreis bei einem Recyclingbetrieb mit einer Leistung von über 400 kg/h innerhalb von 8 bis 12 Monaten durch die verbesserte Betriebszeit und Pelletqualität. Seite über Kunststoffmaschinen listet die für jedes Extrudermodell verfügbaren L/D-Optionen auf.

3. Zeitlicher Druckaufbau beim Siebwechsler: Maschenweite vs. Verschmutzungsbelastungsmodell

Die Druckanstiegsrate des Siebwechslers ist der Hauptfaktor für die Filterwechselhäufigkeit, welche wiederum die Verfügbarkeit der Pelletieranlage bestimmt. Für die HDPE-Pelletierung von Post-Consumer-Abfällen haben wir ein Modell zur Bestimmung der Kontaminationsbelastung entwickelt, das den Druckanstieg in Abhängigkeit vom Kontaminationsgrad des Aufgabematerials, der Siebmaschenweite und der Maschenweite prognostiziert.

Das Modell lautet: ΔP/Δt = (C × F × k) / A, wobei ΔP/Δt die Druckanstiegsrate in bar/Stunde, C die Schadstoffkonzentration im Zulauf (Gewichtsprozent, nur nicht schmelzbare Stoffe), F die Durchsatzrate in kg/h, k ein netzabhängiger Widerstandsfaktor und A die gesamte Siebfläche in cm² ist.

Wir validierten dieses Modell in 14 Recyclinganlagen in den Jahren 2024–2025. Für typische HDPE-Flakes aus Altflaschen mit 2,5 % Verunreinigung (Etiketten + Feinanteile), die mit 400 kg/h durch einen Einplatten-Siebwechsler mit 128 cm² Siebfläche (80 Mesh, k = 2,1) verarbeitet werden, prognostiziert das Modell ΔP/Δt = (2,5 × 400 × 2,1) / 128 = 16,4 bar/h. Tatsächliche Feldmessungen ergaben einen Mittelwert von 14,8 bar/h – innerhalb von 11 % der Vorhersage. Bei dem typischen Maximaldruck von 350 bar für einen Siebwechsler bedeutet dies, dass ein Druckzyklus (von 50 bar nach der Rückspülung auf 350 bar) etwa 18 Stunden dauert. Mit einem kontinuierlich arbeitenden Zweikolben-Siebwechsler verdoppelt sich das effektive Intervall pro Siebpaket auf 36 Stunden, da jedes Paket die Hälfte der Verunreinigungsmenge verarbeitet.

Die Wahl der Siebgröße erfordert einen Kompromiss: 40-Mesh-Siebe (k = 0,9) führen zu einem geringeren Druckanstieg, lassen aber mehr Feinanteile in den Granulator gelangen. Das resultierende Granulat weist sichtbare schwarze Flecken auf und überschreitet den Grenzwert von 10 ppm für visuelle Verunreinigungen bei extrusionsgeeignetem HDPE. 120-Mesh-Siebe (k = 5,8) hingegen erzeugen saubereres Granulat, erfordern aber 6,4-mal häufigere Siebwechsel. Wir empfehlen für die HDPE-Granulierung ein 80-Mesh-Sieb als Basis, ergänzt durch eine 60-Mesh-Brecherplatte und ein zusätzliches 100-Mesh-Poliersieb für den letzten Schmelzekanal, falls der Granulator direkt in eine Platten- oder Folienanlage eingespeist wird.

Wir empfehlen außerdem, für Post-Consumer-HDPE einen Siebwechsler mit einem Betriebsdruck von mindestens 300 bar zu verwenden. Einige Materiallieferanten geben für ihre Siebwechsler 250 bar an, unsere Daten zeigen jedoch, dass Post-Consumer-HDPE mit einer Verunreinigung von über 3 % unter Spitzenlast 260–290 bar erreichen kann. Der Betrieb eines 250-bar-Wechslers unter dieser Last reduziert die Lebensdauer der Dichtung um ca. 60 %. Unsere Standard-Siebwechsler sind für 350 bar mit einem Sicherheitsfaktor von 1,2 ausgelegt. Weitere Prozessspezifikationen finden Sie auf der Website. Jury-Top-BlogDie

4. Gleichmäßige Schmelztemperatur im Stranggranulator bei einer Schneckendrehzahl von 80 U/min.

Die Leistung eines Stranggranulators hängt entscheidend von der Konstanz der Schmelztemperatur an der Düsenmündung ab. Eine Temperaturabweichung von ±5 °C am Düsenaustritt führt zu einer Abweichung des Strangdurchmessers von etwa ±0,3 mm – ausreichend, um Strangbrüche oder zu große Pellets zu verursachen, die den Zuführwalzenspalt des Granulators verstopfen.

Wir testeten die Schmelztemperaturkonstanz an einem Einschneckenextruder vom Typ SJ-100 (100 mm Durchmesser, L/D 30:1, 75 kW Antrieb) bei der Verarbeitung von Post-Consumer-HDPE mit 80 U/min, was einer Ausstoßmenge von ca. 280 kg/h entspricht. Die Temperatur wurde mit sieben Thermoelementen entlang des Extruderzylinders und einem tragbaren Infrarot-Pyrometer (Fluke 62 MAX, Emissionsgrad für HDPE-Schmelze auf 0,95 eingestellt) am Düsenaustritt gemessen – eine Messung alle zwei Minuten über einen Zeitraum von vier Stunden.

Die Ergebnisse zeigten eine Temperatur von 203 °C ± 5 °C in der Zylinderzone 3 (Kompressionszone), 205 °C ± 3 °C in der Anpassungszone und 211 °C ± 2 °C am Düsenkopf. Die Schmelzetemperatur am Düsenaustritt – gemessen durch direktes Einführen des Thermoelements in den Schmelzestrom – betrug im Mittel 217 °C mit einer Schwankungsbreite von 213 °C bis 222 °C über den vierstündigen Zeitraum. Die Schwankungsbreite von ± 4,5 °C ist für die Stranggranulierung akzeptabel, liegt aber deutlich über der üblicherweise bei reinem HDPE unter gleichen Bedingungen beobachteten Schwankungsbreite von ± 2,0 °C.

Die größeren Schwankungen bei recyceltem HDPE sind auf zwei Ursachen zurückzuführen: die Schwankungen des Schmelzindex (MFI) des Ausgangsmaterials (0,8–3,2 g/10 min in unseren Proben) und die ungleichmäßige Feststoffförderung aufgrund der geringen Schüttdichte des Flockenmaterials. Beides wurde durch einen gerillten Einzugstutzen (3 Längsrillen, 4 mm tief × 6 mm breit) in der Einzugszone behoben. Der gerillte Stutzen verbesserte die Stabilität der Feststoffförderung und reduzierte die Temperaturschwankung in Zylinderzone 3 von ±5 °C auf ±3 °C. In Kombination mit einer zwischen Siebwechsler und Düsenplatte installierten Schmelzepumpe – eingestellt auf einen Eingangsdruck von 80 bar – konnte die Düsenaustrittstemperatur auf ±2,5 °C eingegrenzt werden.

Für Recyclinganlagen mit einer Drehzahl von 80 U/min oder höher empfehlen wir dringend den Einsatz einer Schmelzpumpe. Die Kosten für ein Zahnradpumpenpaket (Pumpe, Antrieb, Druckmessumformer und Steuerung) für eine Anlage mit einer Kapazität von 300 kg/h belaufen sich auf ca. 8.000–12.000 US-Dollar. Unsere Praxiserfahrung zeigt, dass dadurch die Entstehung von Granulatfeinanteilen um 40–55 % reduziert wird, indem die Druckschwankungen, die zu Strangdurchmesserschwankungen führen, eliminiert werden.

Wir stellten außerdem fest, dass eine automatisierte Strangdüse mit Einzelstrangventilen – die es dem Bediener ermöglicht, eine Düsenöffnung zu verschließen, ohne die Produktionslinie anzuhalten – die Betriebszeit deutlich verbessert. Reißt ein einzelner Strang aufgrund eines durch Verunreinigungen verursachten Viskositätsanstiegs, verschließt der Bediener die entsprechende Düsenöffnung in weniger als 5 Sekunden, und die Produktion läuft mit 90–95 % des Nenndurchsatzes weiter, anstatt einen kompletten Düsenwechsel- und Reinigungszyklus von 20–30 Minuten Dauer zu erfordern.

5. Verarbeitung von Post-Consumer-HDPE: Konfiguration der Entgasungs- und Vakuumentlüftungsöffnungen

Post-Consumer-HDPE enthält flüchtige Verunreinigungen – Restfeuchtigkeit vom Waschen, niedermolekulare Oligomere aus wiederholten Temperaturzyklen und organische flüchtige Verbindungen aus Lebensmittelresten –, die vor der Granulierung entfernt werden müssen, um Blasenbildung in nachfolgenden Verarbeitungsschritten zu vermeiden. Die Vakuumentlüftungsöffnung am Extruderzylinder ist das wichtigste Mittel zur Entgasung.

Eine einzelne Vakuumentlüftungsöffnung, die sich bei etwa 65–70 % der Schneckenlänge vom Einzugstutzen (im Übergang zwischen Kompressions- und Dosierzone) befindet, entfernt typischerweise 60–70 % der flüchtigen Bestandteile aus recyceltem HDPE. Eine Konfiguration mit zwei Entlüftungsöffnungen – die erste bei 60 % und die zweite bei 80 % der Schneckenlänge – entfernt 85–92 % der flüchtigen Bestandteile, gemessen mittels Headspace-Gaschromatographie (GC-MS) des pelletierten Produkts.

Wir testeten dies an einem SJ-120-Extruder (L/D 33:1) zur Verarbeitung von Post-Consumer-HDPE-Flaschenflocken mit einem durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt von 0,08 % (800 ppm, gemessen mittels Karl-Fischer-Titration) und einem Gehalt an flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) von 1200 ppm (Summe der C6- bis C16-Kohlenwasserstoffe, bestimmt mittels GC-MS). Bei einem einzelnen Entlüftungsventil und einem Vakuum von -0,85 bar (635 mmHg) wiesen die Pellets einen Feuchtigkeitsgehalt von 180 ppm und einen VOC-Gehalt von 340 ppm auf – Reduktionen von 78 % bzw. 72 %. Mit einer Konfiguration mit zwei Entlüftungsventilen bei gleichem Vakuumniveau sanken der Feuchtigkeitsgehalt auf 60 ppm und der VOC-Gehalt auf 140 ppm – Reduktionen von 93 % bzw. 88 %.

Die zweite Entlüftungsöffnung bietet eine zweite Möglichkeit, flüchtige Bestandteile zu entfernen, die beim Druckabfall der Schmelze zwischen der ersten und der zweiten Entlüftungsöffnung verdampfen. In einem System mit nur einer Entlüftungsöffnung werden alle flüchtigen Bestandteile, die nicht über die Entlüftungsöffnung entweichen können, vom Schmelzestrom mitgerissen und bilden Blasen oder Hohlräume im Granulat. Für Anwendungen, bei denen das granulierte HDPE Blasformen oder Folienextrusionen unterzogen wird – wo Blasen zu Ausschuss führen – ist die Konfiguration mit zwei Entlüftungsöffnungen unerlässlich.

Die Geometrie der Entlüftungsöffnung ist ebenso wichtig wie das Vakuumsystem. Die Entlüftungsöffnung sollte eine Mindestbreite von 1,2-fachem Schneckendurchmesser und eine Länge entlang des Schneckenrohrs von 2,5- bis 3-facher Schneckensteigung in diesem Bereich aufweisen. Eine zu enge Entlüftungsöffnung behindert den Gasstrom; eine zu lange lässt die Schmelze im Schneckenfuß aufsteigen und die Öffnung verstopfen. Wir verwenden einen statischen Entgasungseinsatz – ein Siebgewebe, das als gasdurchlässige Barriere dient –, um das Austreten von Schmelze zu verhindern und gleichzeitig das Entweichen flüchtiger Bestandteile zu ermöglichen. Dieser Einsatz muss je nach Verschmutzungsgrad alle 40–80 Betriebsstunden gereinigt werden. Das Entlüftungsgehäuse ist mit einer Schnellspannklemme ausgestattet, die einen zweiminütigen Zugang für die Reinigung ermöglicht.

Das Vakuumpumpensystem sollte am Entlüftungsanschluss einen Unterdruck von mindestens -0,90 bar (675 mmHg) liefern, gemessen mit einem kalibrierten Manometer am Fassanschluss. Wir verwenden Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen (Nash oder gleichwertig) anstelle von Trockenschieberpumpen, da die flüchtigen Bestandteile des recycelten HDPE saure Komponenten enthalten, die die Dichtungen von Trockenschieberpumpen korrodieren. Eine korrekt dimensionierte Flüssigkeitsringpumpe für eine 400–600 kg/h-Anlage fördert bei Betriebsvakuum 30–40 m³/h freie Luft. Der Kondensatableiter sollte aus Edelstahl bestehen und über ein Schauglas sowie ein Ablassventil verfügen. Wir empfehlen, ihn alle 8 Stunden zu überprüfen und zu entleeren.

Die Schnecken selbst sollten eine spezielle Entlüftungszonengeometrie aufweisen: einen tiefen Doppelwendelabschnitt unter jeder Entlüftungsöffnung, der einen dünnen, gleichmäßigen Schmelzfilm an der Entlüftungsöffnung vorbeipumpt und so das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für den Austritt flüchtiger Bestandteile maximiert. Unsere Standard-Recyclingschnecke verfügt an jeder Entlüftungsstelle über eine tiefe Dekompressionszone (3,2 mm Kanaltiefe gegenüber 2,0 mm in der Dosierzone). Dies verhindert, dass die Entlüftungsöffnung von einem dicken Schmelzstrom überflutet wird, und gewährleistet eine gleichmäßige Entgasung bei Durchsatzraten von 60 % bis 110 % der Nennkapazität.

Für Recyclingunternehmen, die stark verunreinigtes HDPE verarbeiten – beispielsweise Agrarfolien oder gemischtfarbige Post-Consumer-Flaschen mit hohem Etikettenanteil – empfehlen wir ein Kaskaden-Entgasungssystem: zwei Vakuumventile plus ein atmosphärisches Ventil (bei 45 % der Schneckenlänge) vor dem ersten Vakuumanschluss. Das atmosphärische Ventil leitet Wasserdampf und die flüchtigsten organischen Bestandteile ab, bevor diese die Vakuumpumpe erreichen, wodurch die Kondensatbelastung des Vakuumsystems reduziert wird. Seite zum Einschneckenextruder Beinhaltet Konfigurationsdiagramme für Einzel-, Doppel- und Kaskadenlüftungsanordnungen.

Autorenprofil

Yufeng Ji ist Fertigungsprozessingenieur bei Shanghai Jurry Plastic Machinery Co., Ltd. Mit über 30 Jahren Erfahrung im Bereich Extrusion ist er spezialisiert auf die Entwicklung und Verfeinerung von Fertigungsprozessen, um eine gleichbleibende Qualität und kontinuierliche Verbesserung zu gewährleisten.

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Quellen

• ISO 1133:2011 — Kunststoffe — Bestimmung des Schmelzmassenstroms (MFR) und des Schmelzvolumenstroms (MVR) von Thermoplasten.
• Wikipedia – Kunststoffrecycling. https://en.wikipedia.org/wiki/Plastics_recycling
• Wikipedia — Extrusion. https://en.wikipedia.org/wiki/Extrusion
• Recycling heute – Trends und Technologien im Bereich HDPE-Recycling. https://www.recyclingtoday.com/
• ISO 9001:2015 — Qualitätsmanagementsysteme. https://www.iso.org/standard/62085.html