Feststoffverarbeitung für Temperatur

Peter Koenig, Produktmanager, Bepex | 15. September 2021

Sowohl Direkttrocknungs- als auch indirekte Trocknungstechnologien bieten den Vorteil geringer Verweilzeiten. Zwei Trocknertypen – mechanische Flash-Trockner (direkte Trocknung) und Dünnschicht-Paddeltrockner (indirekte Trocknung) – bieten optimale Lösungen für wärmeempfindliches Material. Die Anforderungen für jede Anwendung bestimmen die Wahl des Trockners.

Hersteller in der Chemie-, Lebensmittel-, Mineralien- und anderen Industrie evaluieren kontinuierlich ihre industriellen Prozesse, um sicherzustellen, dass Materialien mit minimalem Abfall, optimaler Effizienz und höchster Qualität hergestellt werden. Die thermische Verarbeitung ist ein wesentlicher Bestandteil der Verarbeitungsphase und erfordert eine gründliche Analyse des Feuchtigkeitsgehalts und anderer Eigenschaften des Materials. Jeder industrielle Prozess ist einzigartig; Erst nach einem sorgfältigen Entwicklungsprozess, der Materialbewertung, Chargentests, Versuche im Pilotmaßstab und kommerzielle Bewertung umfasst, können Hersteller höchste Leistung gewährleisten. Zwei Ansätze zum Trocknen temperaturempfindlicher Materialien optimieren die Prozess- und Produktqualität für eine Vielzahl von Materialien, darunter Polymere, Düngemittel, Stärken, Mehle und Hefe (auch für tierische Nahrungsergänzungsmittel).

Beim Trocknen handelt es sich um einen Einheitsvorgang, bei dem eine Flüssigkeit auf andere als mechanische Weise von einem Feststoff getrennt wird. Hierzu ist in der Regel eine Wärmezufuhr erforderlich, die zur Verdampfung der Flüssigkeit führt. Für die temperaturempfindliche Verarbeitung können zwei Arten von Trocknungstechnologien eingesetzt werden – direkte Trocknung und indirekte Trocknung (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Direkte und indirekte Trocknung für temperaturempfindliche Verarbeitung

Direkte oder konvektive thermische Prozesse (Abbildung 2) vermischen typischerweise erhitztes Gas oder Umgebungsgas (z. B. Luft oder Stickstoff) direkt mit dem zu behandelnden Material. Einige Direktthermotechnologien verwenden ein mechanisches Rührwerk, um die Vermischung des Materials mit dem Gas zu verbessern, und fast jede Direktthermotechnologie verwendet eine pneumatische Förderung, um das Material durch den Prozess zu bewegen.

Da dieser Prozess auf Gas als Wärmeübertragungsmedium beruht, können Abgasbehandlung und Umweltaspekte dazu führen, dass dieser Prozess für eine bestimmte Anwendung weniger wünschenswert ist als die indirekte Verarbeitung.

Da jedoch ein hohes Luft-/Gasvolumen vorhanden ist, profitieren Direkttrocknungsvorgänge von der Verdunstungskühlung, bei der das verdunstete Wasser den Luftstrom abkühlt und anschließend das getrocknete Material abkühlt. Dies trägt wiederum dazu bei, eine niedrige Arbeitstemperatur aufrechtzuerhalten und eine Verschlechterung temperaturempfindlicher Materialien zu vermeiden.

Indirekte oder konduktive Trocknungsverfahren übertragen die Wärme indirekt durch den Kontakt mit einer beheizten Oberfläche auf das Material. Das Material ist durch eine Metallwand vom Wärmeträgermedium getrennt und die Wärme wird durch das Material bzw. Wärmeträgermedium geleitet, meist Dampf oder heißes Öl (auch Wasser, Glykollösung, elektrischer Widerstand oder geschmolzene Salze). Das Material selbst kommt nie in direkten Kontakt mit dem Wärmeträgermedium. Um eine gleichmäßige Erwärmung und Förderung zu gewährleisten, nutzen indirekte Systeme mechanische Bewegung, um das behandelte Material über die Metalloberfläche und weiter zum nächsten Prozessschritt zu bewegen.

Die indirekte thermische Verarbeitung ist besonders dann von Vorteil, wenn der Platz begrenzt ist, die Förderung über kurze Distanzen erfolgt oder die Förderausrüstung in einem Prozess reduziert werden soll. Durch die indirekte thermische Verarbeitung werden häufig Probleme bei der Materialhandhabung vermieden und der Wert des Endprodukts erhöht.

Abbildung 2: Direkte und indirekte thermische Konzepte

Während mehrere Arten von Trocknern diese Aufgabe erfüllen können, eignen sich insbesondere zwei Arten ideal zum Trocknen wärmeempfindlicher Materialien: mechanische Blitztrockner und Dünnschicht-Paddeltrockner. Die Anforderungen für jede einzelne Anwendung sowie die Formen des Ausgangsmaterials bestimmen die Wahl des Trockners. Jede Anwendung erfordert einen gründlichen Entwicklungsprozess zum Testen, Entwerfen und Spezifizieren einer genauen Übereinstimmung für die Anwendung (siehe Seitenleiste: Material für beste Ergebnisse bewerten, testen und testen).

Flash-Trockner basieren auf der Direktthermotechnologie und sind für die Trocknung temperaturempfindlicher Materialien mit hohem Feuchtigkeitsgehalt in schwer handhabbaren Formen wie Nass-/Filterkuchen, Pasten und Schlämmen konzipiert (siehe Abbildung 3). Herkömmliche Flash-Trockner sind nicht-mechanische Sprühtrockner oder Ringtrockner. Eine alternative Art von Schnelltrockner ist mechanisch und bietet im Vergleich zu Sprühtrocknern oder Ringtrocknern eine größere Partikelflexibilität. Sprühtrockner erzeugen in der Regel nur feine Pulver, während Ringtrockner in der Regel größere Körnchen produzieren und zusätzliche Mahlschritte zur Herstellung eines Pulvers erfordern. Ein mechanischer Flasher-Trockner kann ein fein gemahlenes Pulver (~5 µm) oder ein größeres Granulat (im Allgemeinen bis zu 1–2 mm) produzieren.

Abbildung 3: Ein mechanischer Flash-Trockner sorgt für eine hohe Trocknungseffizienz.

Durch die intensive Durchmischung des Trockners wird die Produktoberfläche vergrößert, um eine schnelle Verdunstung und damit eine hohe Trocknungseffizienz zu gewährleisten. Der mechanische Schnelltrockner nutzt erhitzte Luftströme und rotierende Dispersionsplatten, um eine dünne Materialschicht zu erzeugen. Diese dünne Schicht sorgt für einen engen Kontakt zwischen den zu trocknenden Partikeln und dem erhitzten Gasstrom. Aufgrund seiner Verteilung als dünne Schicht benötigt der mechanische Schnelltrockner im Vergleich zu Ring- und Sprühtrocknern typischerweise eine geringere Stellfläche.

Die Verweilzeit des Materials im Trockner selbst ist mit durchschnittlich zwei bis drei Sekunden kurz. Sobald das Material aus dem Trockner ausgetragen wird, wird es pneumatisch zu Trennkomponenten befördert, typischerweise einem Zyklon, gefolgt von einem Schlauchfilter. Während der Förderperiode sorgt die feuchtigkeitsbeladene Luft für eine Verdunstungskühlung des getrockneten Produkts, wodurch die Materialtemperatur schnell gesenkt wird, um eine Zersetzung oder Farbveränderung zu vermeiden, die bei längerer Zeit- und Temperatureinwirkung auftritt. Mechanische Flash-Trockner erfordern in der Regel keine vor- oder nachgeschalteten thermischen Prozesse wie Wirbelbetten oder Halteschritte, die bei einigen Flash-Trocknungsvorgängen üblich sind.

Mechanische Flash-Trockner können auch gleichzeitig Filterkuchen, Aufschlämmungen oder Lösungen mahlen und trocknen, wodurch direkt aus dem Trockner ein verwendbares Pulvermaterial erzeugt wird und der Energieverbrauch nachgeschaltet reduziert wird, wenn ein anschließendes Mahlen erforderlich ist. Mechanische Flash-Trockner sind eine effiziente und kompakte Alternative zu nicht-mechanischen Sprühtrocknern und Ringtrocknern und senken sowohl die Gesamtbetriebskosten als auch die Installationskosten, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen.

Dünnschicht-Schaufeltrockner (siehe Abbildung 4) basieren auf der indirekten thermischen Technologie, die darauf beruht, dass Wärmeenergie über beheizte Oberflächen zum Produkt gelangt. Dünnschichttrockner haben die größte thermische Effizienz der indirekten thermischen Verarbeitung, da die hohe Spitzengeschwindigkeit das Material in ständigem Kontakt mit der Heiz-/Kühloberfläche hält. Die kontinuierliche Bewegung eines Dünnschichttrockners bietet auch einen hervorragenden Mischmechanismus für die Einarbeitung mehrerer Zufuhrströme und/oder kleinerer Zutaten. Dünnschichttrockner erzeugen Partikelgrößen im Bereich von 1–3.400 Mikrometern und sind für den Betrieb mit Lösungen, Aufschlämmungen, Pasten, Zentrifugenkuchen, Filterkuchen und frei fließenden Feststoffen ausgelegt.

Abbildung 4: Ein Dünnschicht-Schaufeltrockner erzeugt hervorragende Wärmeübergangskoeffizienten.

Dünnschichttrockner basieren auf einem mechanischen Rührwerk, das in einem zylindrischen Gehäuse rotiert. Das zylindrische Gehäuse verfügt über einen Wärmeübertragungsmantel, der für Dampf oder flüssige Wärmeübertragungsmedien ausgelegt sein kann. Ein Rotor im beheizten zylindrischen Behälter arbeitet mit hohen Spitzengeschwindigkeiten (5–25 m/Sekunde), wodurch das Material in eine dünne Schicht entlang der beheizten zylindrischen Behälterwand gedrückt wird. Dies sorgt für die konduktive Erwärmung zur Durchführung der Verdampfung. Der Hohlmantel der Wand stellt die gesamte Wärmeübertragungsfläche dar. Ein erhitzter Gasstrom (häufig inert) fließt typischerweise im Gegenstrom zum Materialfluss, nimmt verdampfte Feuchtigkeit auf und transportiert sie zur Sammlung zu einem Kondensator. Da das Spülgas nicht als primäre Wärmequelle verwendet wird, wird die erforderliche Gasmenge minimiert, was zu einem effizienteren Betrieb und geringeren Betriebskosten führt.

Der Rotor besteht aus Paddeln, die entlang einer rotierenden Welle angebracht sind. Der Winkel jedes Paddels kann angepasst werden, um die Fördergeschwindigkeit und Verweilzeit des Materials zu steuern. Nicht zu verwechseln mit einem Bettschaufeltrockner, denn die Schaufeln eines Dünnschicht-Schaufeltrockners sorgen für keine Wärmeübertragung. Diese Trockner können durch eine Öffnung an der Seite des Behälters zwangsbeschickt oder durch die Schwerkraft von oben beschickt werden. Das Produkt wird normalerweise über einen Anschluss am gegenüberliegenden Ende abgelassen und ist nur für kontinuierliche Prozesse geeignet.

Dünnschichttrockner eignen sich ideal zum Kühlen, Pasteurisieren und Trocknen von Nasskuchen und sind im Vergleich zu Schnelltrocknern effizienter. Ihre Hochgeschwindigkeitspaddel zerkleinern Klumpen und lose Agglomerate und sorgen so für eine gleichmäßige thermische Behandlung.

Mehrere Zuführoptionen – einschließlich Schneckenzuführung, Pumpen und Einsprühen in den Behälter – machen diese Option für Materialien nahezu jeder Konsistenz geeignet. Die kurze Verweilzeit des Trockners – die Zeit, die das behandelte Material in der Maschine verbringt – ermöglicht eine strenge Kontrolle der Materialtemperatur.

Mechanische Flash-Trockner und Dünnschicht-Kontakttrockner eignen sich aufgrund ihrer kurzen Verweilzeiten oder der strengen Kontrolle von Zeit- und Temperatureinwirkung optimal für die thermische Verarbeitung wärmeempfindlicher Materialien. Abhängig von der Beschaffenheit des zu verarbeitenden Produktmaterials stehen auch mehrere andere Trocknertypen zur Verfügung. Zu den als verdünnte Dispersion oder Dünnschichttrockner klassifizierten Trocknern gehören Dünnschicht-Kontakttrockner, Sprühtrockner, Trommeltrockner, Flash-Trockner und Rotationstrockner mit Dampfmantel.

Das optimale Trocknerdesign sollte die folgenden Merkmale bieten:

1. Zeit-Temperatur-Exposition

Der Verlust der Produktqualität resultiert in der Regel aus der Kombination von Einwirkzeit und Trocknungstemperatur. Wenn die Trocknerkonstruktion eine lange Einwirkzeit vorsieht, sollte die Temperatur der Wärmequelle niedrig gehalten werden. Andererseits können Trockner, die mit kurzen Verweilzeiten arbeiten, höhere Wärmequellentemperaturen nutzen, ohne dass das Risiko einer Verschlechterung der Produktqualität besteht.

Trocknerkonstruktionen haben unterschiedliche Einwirkzeiten (siehe Tabelle 1). Der mechanische Flash-Trockner arbeitet mit extrem kurzen Verweilzeiten von weniger als drei Sekunden. Der Dünnschicht-Paddeltrockner kann mit einem breiten Verweilzeitbereich von bis zu 30 Minuten betrieben werden.

Tabelle 1: Hitzeeinwirkung auf Feststoffe

2. Luftexposition

Um die geringere Zeit-Temperatur-Exposition zu kompensieren, sollte das Trocknerdesign die Effizienz des Verdunstungsstofftransfers maximieren. Eine Methode zur Erzielung dieses Effekts besteht darin, einen engen Kontakt zwischen einzelnen zu trocknenden Partikeln und dem Luftstrom (oder Inertgasstrom) herzustellen. Der Kontakt einzelner Partikel mit dem Luftstrom ermöglicht eine gute Feuchtigkeitsentfernungsfähigkeit, indem die treibende Kraft des Differenzpartialdrucks für die Verdunstung erhöht wird.

Der Grad der Lufteinwirkung variiert je nach Trockner. Der Flash-Trockner, der Wirbelschichttrockner, der Sprühtrockner und der Dünnschicht-Paddeltrockner arbeiten alle mit einem hohen Grad an diskretem Partikel-Luft-Kontakt.

3. Temperaturgradienten und Verweilzeitverteilung

Es ist wichtig, Temperaturgradienten innerhalb des Produktmaterials, das während des Trocknungsvorgangs erhitzt wird, zu minimieren. Eine enge Verweilzeitverteilung des Produktmaterials im Trockner gewährleistet eine gleichmäßige Produktqualität.

Trocknerkonstruktionen, bei denen das Produktmaterial als verdünnte Dispersion oder als dünner Film im Pfropfenströmungszustand erhitzt wird, erfüllen diese Kriterien. Trockner, in denen das Produktmaterial in Form von Schüttgut vorliegt, sind möglicherweise anfälliger für Temperaturgradienten und/oder Auswirkungen der Verweilzeitverteilung.

Der thermische Wirkungsgrad eines Schnelltrockners ist eine Funktion seiner Auslassgastemperatur und seiner Deltatemperatur (Einlass-/Auslassgastemperaturdifferenz), die den Gasflussbedarf für den Wärmeausgleich festlegt. Je niedriger die Gasaustrittstemperatur wird, desto höher ist der thermische Wirkungsgrad. Je größer der Gastemperaturunterschied wird, desto geringer ist die Gasströmungsgeschwindigkeit und desto größer ist der thermische Wirkungsgrad.

Der maximal zulässige Feuchtigkeitsgehalt im ausgetragenen Produkt setzt normalerweise eine Untergrenze für die Auslassgastemperatur des Schnelltrockners. Die Temperaturempfindlichkeit des Produktmaterials bestimmt normalerweise die Obergrenze für die Einlassgastemperatur des mechanischen Schnelltrockners und legt den maximal zulässigen Delta-Temperaturzustand fest. Das Endergebnis ist, dass die Wärmeleistung des mechanischen Flash-Trockners bei den meisten Trocknungsanwendungen typischerweise 1.500–2.000 BTU pro Pfund verdampftem Wasser beträgt.

Der thermische Wirkungsgrad des Dünnschichttrockners ist eine Funktion seiner Auslassgastemperatur und der Systemverluste, ähnlich wie beim Flash-Trockner. Allerdings ist der Dünnschichttrockner für den Wärmeausgleich nicht von der Menge des Gasstroms abhängig. Die verringerte Gasdurchflussrate führt dazu, dass die Wärmeleistung des Trockners im Bereich von 1.000–1.400 BTU pro Pfund verdampftem Wasser sinkt.

Die Verarbeitung temperaturempfindlicher Produkte für die Chemie-, Lebensmittel- und Mineralienindustrie erfordert eine sorgfältige Analyse des Trocknungsprozesses, um Produktqualität, optimale Effizienz und minimalen Abfall sicherzustellen. Direkte Trocknung und indirekte Trocknung sind zwei Arten von Trocknungstechnologien, die sich ideal für temperaturempfindliche Verarbeitung eignen. Mechanische Flash-Trockner und Dünnschicht-Paddeltrockner bieten optimale Lösungen, wobei die Anwendungsanforderungen die Wahl des Trockners bestimmen.

Durch eine gründliche Analyse des Prozess-, Anlagen- und Kapitalbedarfs wird die Technologie ermittelt, die den Spezifikationen am besten entspricht.

Unabhängig davon, ob Sie bei Null anfangen, einen neuen Prozessschritt in ein bestehendes System integrieren oder Ihren aktuellen Betrieb optimieren möchten, können Hersteller mit ihrem Feststoffverarbeitungspartner einen oder alle der folgenden Schritte durchführen, um ihren Materialanforderungen gerecht zu werden:

* Prüfstandstests: Überprüfen Sie eine kleine Materialprobe auf anfängliche Machbarkeit.* Testen im Pilotmaßstab: Führen Sie repräsentative Versuche auf anpassbaren Systemen durch. Stellen Sie nach der Skalierung ein vollständiges Angebot für die CAPEX- und OPEX-Bewertung bereit.* Benutzerdefinierte Prozessdefinition: Erstellen Sie Produktmuster in einem kontinuierlichen Prozess zur Marktbewertung

Eine sorgfältige Bewertung mithilfe branchenerprobter Technologien hilft Herstellern, das richtige Material für ihre Anwendung zu entwickeln und die Markteinführungszeit zu verkürzen.

Peter Koenig ist Produktmanager bei Bepex. Für weitere Informationen rufen Sie 612-331-4370 an oder besuchen Sie www.bepex.com.

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