Restfeuchte im Granulat kann sich qualitätsmindernd auf das zu verarbeitende Produkt auswirken. (Bild: fotos4u – adobe.stock)
Allgemein kommt es bei Kunststoffgranulat immer zu Oberflächenfeuchte, die beispielsweise durch Kondensat, Tauablagerungen oder undichte Umverpackungen entsteht. Besonders bei technischen Kunststoffen hat man es heute mit hygroskopischen Materialien zu tun. Diese besitzen eine kapillarporöse Struktur, die Feuchtigkeit aus der Umgebung adsorbiert.
Zur Trocknung dieser Kunststoffe mit kapillargebundener Feuchte werden Trockenluft-Trockner eingesetzt, bei denen das das zu trocknende Granulat mit vorgetrockneter, heißer Luft durchströmt wird. Die Trockenheit dieser Prozessluft wird durch den Taupunkt angegeben, das ist die Temperatur, bei der bei Abkühlen der Luft die erste Spur Flüssigkeit entsteht. Soll das Granulat seine Feuchtigkeit an die Prozessluft abgeben, ist ein hohes Dampfdruckgefälle zwischen dem Granulat und der Luft erforderlich. Mit steigender Trocknungstemperatur nimmt der Dampfdruck innerhalb der kapillaren Struktur des Granulates zu. Der Dampfdruck in der Trockenluft nimmt mit sinkender Taupunkt-Temperatur ab. Die Temperatur der Trockenluft kann dabei nicht beliebig gesteigert werden. Der Erweichungspunkt des Kunststoffgranulates oder aber auch mögliche thermische Schädigungen setzen hier die Grenzen. Andererseits erfordert das Absenken der Taupunkt-Temperatur nach bisherigem Stand der Technik einen zunehmenden Energieeinsatz für die Desorption des Trockenmittels, um die hier aufgenommene Feuchtigkeit wieder auszutreiben.
Welche Rolle spielen Molekularsiebe für den Trocknungsprozess?
Die meisten Trockner arbeiten heutzutage in einem Taupunktbereich von -20 bis -60 °C. Dies entspricht einem Wassergehalt der Luft zwischen 0,8 und 0,008 g/m³. Um der Luft das Wasser zu entziehen, werden bei Trockenlufttrocknern häufig Molekularsiebe als Adsorbentien verwendet, die in der Lage sind Moleküle auszusieben. Die selektive Adsorptionswirkung beruht darauf, dass sie nur solche Substanzen adsorbieren, deren Moleküle in ihre Poren eindringen können. Die Adsorbierbarkeit einer Substanz hängt also von der Porengröße des Molekularsiebes und von der Größe oder geometrischen Gestalt der Moleküle ab, die mit ihnen in Berührung gebracht werden. Alle Moleküle, die kleiner als die Porenöffnung sind können passieren und werden im Molekularsieb gespeichert.
Nach einer gewissen Zeit ist das Molekularsieb gesättigt und es kann keine weiteren Moleküle mehr binden. Das Molekularsieb kann also nun keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen und muss daher regeneriert werden. Hierzu wird das Molekularsiebbett mit hoch erhitzter Luft (zwischen 200 und 300 °C) durchströmt. Diese Erhitzung bedarf eines hohen Energie-Einsatzes. Die Anzahl der erforderlichen Regenerationszyklen hängt ab von der Wasseraufnahmekapazität des Molekularsiebes, der Feuchtebelastung des zu trocknenden Granulates und von der zu erzielenden Taupunkt-Temperatur.
Beeinflusst die Trocknerbauform das Trocknungsergebnis des Granulats?
In der kunststoffverarbeitenden Industrie werden überwiegend Trockenlufttrockner mit zwei- oder mehreren Molekularsieb-Betten verwendet. Eine Alternative hierzu stellen die sogenannten Trockenrad-Trockner dar. Bei beiden Bauformen wird parallel zur Prozessluftaufbereitung ein zweites Trockenmittelbett regeneriert, so dass ein kontinuierlicher Trocknungsprozess entstehen kann.
Stand der Technik bei bisherigen Bauformen ist, dass die benötigte Luft für die Regeneration und Abkühlung des Trockenmittelbettes aus der Umgebung zugeführt wird. Die unterschiedliche und teilweise sehr hohe Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft führt zu erheblichen Leistungsschwankungen der Trocknungsanlage, so dass Wirkungsgrad und Energiebedarf sich stark ändern können. Besonders bei extremen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise an heißen und schwülen Sommertagen, belastet die hohe Luftfeuchtigkeit zusätzlich das Trockenmittel, was längere Regenerationszeiten oder kürzere Regenerationsintervalle zur Folge hat. Ebenso sind in diesem Zusammenhang größere Taupunktschwankungen der Prozessluft zu erkennen. Ein dauerhaft kontinuierlicher Trocknungsprozess mit konstanten Trocknungsergebnissen ist bei den herkömmlichen Trocknerbauformen nur mit erhöhtem Energieaufwand, beispielweise durch längere Trocknungs- oder Regenerationszeiten, zu erzielen.
Wirkt sich die Luftzufuhr auf den Energieaufwand beim Trocknen aus?
Eine Alternative dazu bietet die Edry-Trocknergeneration von Simar. Der Trockner arbeitet nach einem neuen Verfahren der Prozessluftführung. Ein wesentlicher Unterschied gegenüber herkömmlichen Trocknerbauformen besteht darin, dass die Zuführung von feuchtebeladener Umgebungsluft durch ein dafür neu entwickeltes Eco-Valve, geregelt reduziert oder vollständig verhindert wird.
Das Reduzieren der Umgebungsluftzufuhr verlängert die Adsorptionszeit des Molekularsiebes bis zum Sättigungszeitpunkt. Dies bedeutet gleichzeitig, dass sich die Zeit, bis ein Regenerationsstart erforderlich wird, verlängert. Da jeder Regenerationszyklus einen hohen Energieaufwand benötigt, senken die verlängerten Regenerationspausen den Gesamt-Energieverbrauch des Trockners deutlich. Des Weiteren lassen sich durch eine veränderte Molekularstruktur des Molekularsiebes wesentlich bessere Massentransfereigenschaften und eine erhöhte Wasseraufnahme-Kapazität erzielen.
Dies verkürzt die Regenerationszeit bei gleichzeitig längeren Regenerationspausen, so dass das Trockenmittel im 24-Stundenbetrieb nur noch maximal zwei- bis dreimal regeneriert werden muss, und dies ohne nachteiligen Einfluss auf den Taupunkt der Prozessluft.
Dieser liegt bei allen Edry-Trocknern weitestgehend in einem Bereich zwischen -50 bis -80 °C und somit deutlich besser als bei herkömmlichen Trocknerbauformen. Der verbleibende geringe Restanteil äußerer Umgebungsluft-Einflüsse wird durch eine intelligente Steuerungstechnik eliminiert. Diese regelt den Regenerationsverlauf, so dass im Gegensatz zu herkömmlichen Trocknerbauformen mit einem gleichbleibend hohen Wirkungsgrad getrocknet werden kann, unabhängig von klimatischen Schwankungen.
Von welchen Faktoren hängt der Energieverbrauch beim Trocknen letztendlich ab?
Die Technik senkt den Energieverbrauch des Trockners um bis zu 30 %. Über die Anzeige und Protokollierung des tatsächlichen Stromverbrauches in der visualisierten Steuerung ist dies kontrollierbar. Neben den Energieverbrauchswerten können über die serienmäßige USB-Schnittstelle alle relevanten Prozessdaten, wie zum Beispiel Taupunktverlauf, Durchsatzmengen oder Störmeldungen, abgegriffen und zur Prozessnachverfolgung herangezogen werden. Eine zusätzliche Ethernet-Schnittstelle bietet die Möglichkeit zur Fernkontrolle oder für Fernzugriffe.
Der Energieaufwand für die Trocknung von Kunststoffgranulat ist von vielen Faktoren abhängig. Allgemein kalkuliert man derzeit einen Energieaufwand von circa 100 W je kg Kunststoffgranulat bei Trockenlufttrocknern, die mit modernster Technik und optimiertem Energieaufwand betrieben werden. Bei älteren Modellen oder bei Trocknern, die über keine herkömmliche Energiesparfunktion verfügen, erhöht sich der Energieaufwand noch um mindestens 25 bis 50 %. Durch den Einsatz eines neuen Trockners sinkt der Energieaufwand auf weniger als 60 W je kg Kunststoffgranulat, wodurch sich Betriebs- und Produktionskosten sparen lassen. Die höhere Investition für den Trockner gegenüber herkömmlichen Trocknern sind überschaubar und amortisieren sich aufgrund der Energieeinsparung oftmals schon in weniger als einem halben Jahr. Schließlich unterstützt die Baureihe den Verarbeiter nicht nur im Rahmen einer detaillierten Prozessnachverfolgung und der kostenoptimierten Produktion, sondern auch in Bereichen des Umweltmanagement.
Ursprünglicher Autor: Harald Weinert, technischer Leiter Simar, Vaihingen
