Wählen Sie die richtige Trocknungstechnologie

Materialtrocknung ist für jeden Kunststoffverarbeiter unumgänglich. Es ist auch für die Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte von entscheidender Bedeutung. Die Auswahl einer geeigneten Trocknungstechnologie trägt dazu bei, Kosten zu sparen und den Energieverbrauch zu senken. Eine korrekte Einschätzung der Trocknungstechnologie und der Kosten ist für die Auswahl der geeigneten Technologie von entscheidender Bedeutung.

Mit zunehmendem Wassergehalt verringert sich allmählich die Scherviskosität des Materials. Während der Verarbeitung führen Änderungen der Fließeigenschaften der Schmelze zu entsprechenden Änderungen der Produktqualität und einer Reihe von Verarbeitungsparametern. Zu lange Verweilzeiten können beispielsweise zu einer geringen Restfeuchte, einer Erhöhung der Viskosität, einer unvollständigen Formfüllung und einer Vergilbung des Materials führen. Darüber hinaus sind einige Eigenschaftsänderungen nicht direkt beobachtbar, sondern können nur durch entsprechende Materialtests festgestellt werden, beispielsweise Änderungen der mechanischen Eigenschaften und der Durchschlagsfestigkeit.

Bei der Auswahl eines Trocknungsverfahrens ist die Ermittlung der Trocknungseigenschaften des Materials von größter Bedeutung. Materialien können als hygroskopisch oder nicht-hygroskopisch kategorisiert werden. Hygroskopische Materialien absorbieren Feuchtigkeit aus der Umgebung, nicht-hygroskopische Materialien hingegen nicht. Bei nicht-hygroskopischen Materialien verbleibt die in der Umgebung vorhandene Feuchtigkeit auf der Oberfläche und wird zu „Oberflächenfeuchtigkeit“, die leicht entfernt werden kann. Granulate aus nicht-hygroskopischen Materialien können jedoch durch Zusatzstoffe oder Füllstoffe hygroskopisch werden.

Darüber hinaus kann die Berechnung des Energieverbrauchs für einen Trocknungsprozess je nach Komplexität der Verarbeitung und anderen Faktoren variieren, sodass die hier dargestellten Zahlen nur als Referenz dienen.

Konvektionstrocknung

Für nicht-hygroskopische Materialien können Heißlufttrockner verwendet werden. Durch die Grenzflächenspannung zwischen Material und Wasser wird Feuchtigkeit locker gebunden und kann so leicht entfernt werden. Bei diesen Maschinen wird mithilfe eines Ventilators Umgebungsluft angesaugt und auf die zum Trocknen des jeweiligen Materials erforderliche Temperatur erhitzt. Die erhitzte Luft strömt durch den Trocknungstrichter und erhitzt das Material durch Konvektion, um Feuchtigkeit zu entfernen.

Das Trocknen hygroskopischer Materialien erfolgt im Allgemeinen in drei Schritten: Im ersten Schritt wird die Oberflächenfeuchtigkeit des Materials verdampft; Die zweite Stufe konzentriert die Verdunstung auf das Innere des Materials, wo die Trocknungsgeschwindigkeit langsam abnimmt, während die Temperatur des Materials zu steigen beginnt. Im Endstadium erreicht das Material mit dem Trocknungsgas ein hygroskopisches Gleichgewicht. In diesem Stadium wird der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich beseitigt. Wenn das getrocknete Material am Ende der dritten Stufe keine Feuchtigkeit mehr abgibt, bedeutet dies nicht, dass es feuchtigkeitsfrei ist, sondern lediglich, dass ein Gleichgewicht zwischen den Partikeln und der Umgebung hergestellt wurde.

In der Trocknungstechnik ist die Taupunkttemperatur der Luft ein entscheidender Parameter. Die Taupunkttemperatur ist die Temperatur, bei der die relative Luftfeuchtigkeit 100 % erreicht und gleichzeitig der Feuchtigkeitsgehalt der feuchten Luft konstant bleibt. Sie stellt die Temperatur dar, bei der Luft den Kondensationspunkt erreicht. Im Allgemeinen gilt: Je niedriger der Taupunkt der zum Trocknen verwendeten Luft, desto geringer ist der Restfeuchtigkeitsgehalt und desto langsamer ist die Trocknungsgeschwindigkeit.

Die derzeit gebräuchlichste Methode zur Erzeugung trockener Luft ist die Verwendung eines Trockengasgenerators. Bei dieser Anlage handelt es sich um einen Adsorptionstrockner aus zwei Molekularsieben, der die Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt. Im Trocknungszustand strömt Luft durch die Molekularsiebe, die dem Gas Feuchtigkeit entziehen und so entfeuchtetes Gas zum Trocknen bereitstellen. Im Regenerationszustand werden die Molekularsiebe durch Heißluft auf ihre Regenerationstemperatur erhitzt. Das durch die Molekularsiebe strömende Gas sammelt die entzogene Feuchtigkeit und transportiert sie in die Umgebung. Eine weitere Methode zur Erzeugung von Trockengas besteht darin, den Druck von Druckgas zu reduzieren. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass das Druckgas im Versorgungsnetz einen niedrigen Drucktaupunkt aufweist. Nachdem der Druck reduziert wurde, erreicht sein Taupunkt etwa 0 Grad. Ist ein noch niedrigerer Taupunkt erforderlich, können Membran- oder Adsorptionstrockner eingesetzt werden, um den Lufttaupunkt noch weiter abzusenken, bevor der Druckluftdruck reduziert wird.

Bei der Trocknung mit entfeuchteter Luft muss der Energiebedarf zur Erzeugung des Trockengases gesondert berechnet werden. Bei der Adsorptionstrocknung muss das regenerierte Molekularsieb von seiner Trockenzustandstemperatur (ca. 60 Grad) auf seine Regenerationstemperatur (ca. 200 Grad) erhitzt werden. Dies geschieht typischerweise durch kontinuierliches Erhitzen des Gases durch das Molekularsieb auf die Regenerationstemperatur, bis es beim Austritt aus dem Sieb eine bestimmte Temperatur erreicht. Theoretisch besteht die für die Regeneration erforderliche Energie aus der Energie, die zum Erhitzen des Molekularsiebs und des darin adsorbierten Wassers benötigt wird, der Energie, die zum Überwinden der Adhäsion des Molekularsiebs am Wasser benötigt wird, und der Energie, die zum Verdampfen der Feuchtigkeit und zum Erhöhen der Temperatur des Wasserdampfs erforderlich ist.

Im Allgemeinen hängt der durch Adsorption erhaltene Taupunkt von der Temperatur und der Feuchtigkeitstransportkapazität des Molekularsiebs ab. Typischerweise ermöglicht ein Taupunkt von 30 Grad oder weniger, dass das Molekularsieb eine Feuchtigkeitstransportkapazität von 10 % erreicht. Der theoretische Energiebedarf zur Herstellung des Trockengases, berechnet aus Energieträgern, beträgt 0,004 kWh/m³. In der Praxis muss dieser Wert jedoch etwas höher liegen, da die Berechnungen keine Lüfter- oder Wärmeverluste berücksichtigen. Durch Vergleich kann der spezifische Energieverbrauch unterschiedlicher Typen von Trocknungsgasgeneratoren ermittelt werden. Im Allgemeinen liegt der Energieverbrauch für die entfeuchtende Gastrocknung je nach Material und Ausgangsfeuchte zwischen 0,04 kWh/kg und 0,12 kWh/kg. Im tatsächlichen Betrieb kann er 0,25 kWh/kg oder mehr erreichen.

Die zum Trocknen von Granulat erforderliche Energie besteht aus zwei Teilen: der Energie, die zum Erhitzen des Materials von Raumtemperatur auf die Trocknungstemperatur erforderlich ist, und der Energie, die zum Verdampfen von Feuchtigkeit erforderlich ist. Das erforderliche Gasvolumen wird üblicherweise anhand der Temperatur des Trocknungsgases bestimmt, das in den Trocknungstrichter eintritt oder ihn verlässt. Auch die Wärmeübertragung von trockener Luft einer bestimmten Temperatur auf das Granulat durch Konvektion ist ein konvektiver Trocknungsprozess.

In der tatsächlichen Produktion ist der tatsächliche Energieverbrauch teilweise deutlich höher als der theoretische Wert. Beispielsweise kann es sein, dass das Material zu lange im Trocknungstrichter verbleibt, was dazu führt, dass mehr Gas verbraucht wird, um den Trocknungsprozess abzuschließen, oder dass die Adsorptionskapazität des Molekularsiebs nicht vollständig genutzt wird. Eine praktikable Methode zur Reduzierung des Bedarfs an Trocknungsgas und damit zur Senkung der Energiekosten ist die Verwendung eines zweistufigen Trocknungstrichters. Bei dieser Art von Ausrüstung wird das Material im oberen Teil des Trocknungstrichters nur erhitzt, aber nicht getrocknet, sodass die Erwärmung mithilfe von Umgebungsluft oder Abgasen aus dem Trocknungsprozess erfolgen kann. Bei dieser Methode muss oft nur 1/4 bis 1/3 der üblichen Menge an Trocknungsgas dem Trocknungstrichter zugeführt werden, wodurch die Energiekosten gesenkt werden. Eine weitere Methode zur Verbesserung der Trocknungseffizienz von Entfeuchtungsgas sind Thermoelemente und taupunktgesteuerte Regeneration, während das deutsche Unternehmen Motan Erdgas als Brennstoff verwendet, um die Energiekosten zu senken.

Vakuumtrocknung

Mittlerweile hat die Vakuumtrocknung auch in der Kunststoffverarbeitung Einzug gehalten. Beispielsweise wurden die von der amerikanischen Firma Maguire entwickelten Vakuumtrocknungsanlagen in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt. Diese kontinuierlich arbeitende Maschine besteht aus drei Kammern, die auf einem rotierenden Förderband montiert sind. In die erste Kammer wird nach dem Einfüllen des Granulats auf Trocknungstemperatur erhitztes Gas eingeleitet, um das Granulat zu erhitzen. Wenn das Material am Gasauslass die Trocknungstemperatur erreicht, wird es in die zweite Kammer transportiert, die evakuiert wird. Da ein Vakuum den Siedepunkt von Wasser senkt, verdunstet Feuchtigkeit leichter als Wasserdampf und beschleunigt so den Feuchtigkeitsdiffusionsprozess. Durch das Vakuum entsteht außerdem ein größerer Druckunterschied zwischen dem Inneren des Granulats und der Umgebungsluft. Normalerweise verbleibt das Material 20–40 Minuten in der zweiten Kammer, bei einigen stark hygroskopischen Materialien können jedoch bis zu 60 Minuten erforderlich sein. Abschließend wird das Material in die dritte Kammer überführt und aus dem Trockner entnommen.

Sowohl bei der entfeuchtenden Gastrocknung als auch bei der Vakuumtrocknung ist der Energieverbrauch beim Erhitzen des Kunststoffs gleich, da beide Verfahren bei der gleichen Temperatur durchgeführt werden. Allerdings verbraucht bei der Vakuumtrocknung die Gastrocknung selbst keine Energie, es wird jedoch Energie benötigt, um das Vakuum zu erzeugen. Der zur Erzeugung des Vakuums erforderliche Energieverbrauch hängt von der Menge des zu trocknenden Materials und seinem Feuchtigkeitsgehalt ab.

Infrarottrocknung

Eine weitere Methode zur Granulattrocknung ist die Infrarottrocknung. Bei der Konvektionserwärmung ist die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Gas und den Körnern, zwischen den Körnern selbst und innerhalb der Körnchen sehr gering, wodurch die Wärmeübertragung stark eingeschränkt wird. Bei der Infrarottrocknung werden Moleküle mit Infrarotlicht bestrahlt, die absorbierte Energie wird direkt in thermische Schwingungen umgewandelt, wodurch sich das Material schneller erwärmt als bei der Konvektionstrocknung. Im Vergleich zur Konvektionserwärmung kommt es bei der Infrarottrocknung zusätzlich zum lokalen Druckunterschied zwischen der Umgebungsluft und der Feuchtigkeit in den Partikeln auch zu einem umgekehrten Temperaturgradienten. Generell gilt: Je größer der Temperaturunterschied zwischen dem Trocknungsgas und den erhitzten Partikeln, desto schneller ist der Trocknungsprozess. Die Infrarot-Trocknungszeit beträgt typischerweise 5 bis 15 Minuten. Derzeit sind Infrarottrocknungsverfahren als Drehrohrsysteme konzipiert, bei denen Partikel entlang eines Spiralrohrs mit mehreren Infrarotstrahlern im Mittelteil transportiert und umgewälzt werden. Bei der Infrarottrocknung kann die Geräteleistung nach einem Standard von 0,035 kWh/kg bis 0,105 kWh/kg gewählt werden.

Wie bereits erwähnt, führen unterschiedliche Feuchtigkeitsgehalte im Material zu unterschiedlichen Prozessparametern. Im Allgemeinen können Unterschiede im Restfeuchtigkeitsgehalt auf unterschiedliche Durchflussraten verschiedener Materialien zurückzuführen sein. Daher führen Unterbrechungen im Trocknungsprozess oder beim An- und Abschalten der Maschine zu Unterschieden in der Verweilzeit. Bei einem festen Gasdurchsatz äußern sich Schwankungen des Materialdurchsatzes im Allgemeinen in Änderungen des Temperaturprofils und der Abgastemperatur. Trocknerhersteller messen diese Schwankungen mit unterschiedlichen Methoden und passen die Trocknungsgasdurchflussrate an die Menge des zu trocknenden Materials an. Dadurch passen sie das Temperaturprofil des Trocknungstrichters an, um sicherzustellen, dass das Granulat eine stabile Verweilzeit bei der Trocknungstemperatur erfährt.

Darüber hinaus kann ein unterschiedlicher Anfangsfeuchtigkeitsgehalt im Material zu einer Instabilität des Restfeuchtigkeitsgehalts führen. Da die Verweilzeit festgelegt ist, führt eine signifikante Änderung des anfänglichen Feuchtigkeitsgehalts zwangsläufig zu einer ebenso signifikanten Änderung des Restfeuchtigkeitsgehalts. Um einen stabilen Restfeuchtegehalt zu erreichen, ist es notwendig, sowohl den Anfangs- als auch den Restfeuchtegehalt zu messen. Allerdings ist eine Online-Messung aufgrund der geringen Restfeuchte schwierig und die lange Verweilzeit des Materials im Trocknungssystem kann zu Regelungsproblemen führen, wenn der Restfeuchtegehalt als Ausgangssignal verwendet wird. Daher haben Trocknerhersteller ein neues Steuerungskonzept entwickelt, um einen stabilen Restfeuchtegehalt zu erreichen. Dieses Regelungskonzept zielt darauf ab, einen stabilen Restfeuchtegehalt aufrechtzuerhalten, indem Prozessparameter wie die Anfangsfeuchte des Kunststoffs, der Taupunkt der ein- und austretenden Gase, der Gasdurchsatz und der Granulatdurchsatz als Eingangsgrößen verwendet werden. Dadurch kann sich das Trocknungssystem anhand dieser Variablen zeitnah anpassen, um einen stabilen Restfeuchtegehalt aufrechtzuerhalten.

Infrarottrocknung und Vakuumtrocknung sind neue Technologien in der Kunststoffverarbeitung. Ihr Einsatz verkürzt die Materialverweilzeit deutlich und senkt den Energieverbrauch. Allerdings sind diese innovativen Trocknungsverfahren auch relativ teuer. Daher wurden in den letzten Jahren Anstrengungen unternommen, die Effizienz der herkömmlichen entfeuchtenden Gastrocknung zu verbessern. Daher sollte bei Investitionsentscheidungen eine gründliche Kostenbewertung durchgeführt werden, bei der nicht nur die Beschaffungskosten, sondern auch Rohrleitungen, Energie, Platz und Wartung berücksichtigt werden, um die Kapitalrendite zu maximieren.