Изберете правилната технология за сушене

Сушенето на материала е неизбежно за всеки преработвател на пластмаси. Също така е от решаващо значение за производството на високо-качествени продукти. Изборът на подходяща технология за сушене спомага за спестяване на разходи и намаляване на консумацията на енергия, а правилната оценка на технологията и разходите за сушене е от съществено значение за избора на подходяща технология.

Увеличаването на съдържанието на вода постепенно намалява вискозитета на срязване на материала. По време на обработката промените в свойствата на потока на стопилката водят до съответните промени в качеството на продукта и набор от параметри на обработка. Например, твърде дългите времена на престой могат да доведат до ниско съдържание на остатъчна влага, увеличаване на вискозитета, което води до непълно запълване на формата и пожълтяване на материала. Освен това някои промени в свойствата не могат да се наблюдават директно, а могат да бъдат открити само чрез съответните тестове на материалите, като промени в механичните свойства и диелектричната якост.

При избора на процес на сушене определянето на свойствата на сушене на материала е от първостепенно значение. Материалите могат да бъдат категоризирани като хигроскопични или не-хигроскопични. Хигроскопичните материали абсорбират влагата от околната среда, докато не-хигроскопичните не го правят. За не-хигроскопичните материали всяка влага, присъстваща в околната среда, остава на повърхността, превръщайки се в „повърхностна влага“, която лесно се отстранява. Въпреки това гранулите, направени от не-хигроскопични материали, могат да станат хигроскопични поради добавки или пълнители.

Освен това изчислението на консумацията на енергия за процес на сушене може да варира в зависимост от сложността на обработката и други фактори, така че представените тук цифри са само за справка.

Конвекционно сушене

За не-хигроскопични материали могат да се използват сушилни с горещ въздух. Влагата е хлабаво свързана от междинното напрежение между материала и водата, което я прави лесна за отстраняване. Тези машини работят, като използват вентилатор, за да засмукват околния въздух и да го нагряват до температурата, необходима за изсушаване на конкретния материал. Нагрятият въздух преминава през бункера за сушене и загрява материала чрез конвекция, за да премахне влагата.

Сушенето на хигроскопични материали обикновено включва три етапа: първият етап изпарява повърхностната влага на материала; вторият етап фокусира изпарението във вътрешността на материала, където скоростта на сушене намалява бавно, докато температурата на материала започва да се повишава; в последния етап материалът достига хигроскопично равновесие със сушилния газ. На този етап се елиминира температурната разлика между интериора и екстериора. В края на третия етап, ако изсушеният материал вече не отделя влага, това не означава, че е без-влага, а просто показва, че е установено равновесие между частиците и околната среда.

В технологията за сушене температурата на точката на оросяване на въздуха е решаващ параметър. Температурата на точката на оросяване е температурата, при която относителната влажност достига 100%, като същевременно поддържа съдържанието на влага във влажния въздух постоянно. Той представлява температурата, при която въздухът достига точката на кондензация. Обикновено, колкото по-ниска е точката на оросяване на въздуха, използван за сушене, толкова по-ниско е съдържанието на остатъчна влага и толкова по-бавна е скоростта на сушене.

В момента най-разпространеният метод за производство на сух въздух е използването на генератор на сух газ. Това оборудване се основава на адсорбционна сушилня, съставена от две молекулярни сита, където се абсорбира влагата във въздуха. В състояние на сушене въздухът протича през молекулярните сита, които абсорбират влагата от газа, осигурявайки обезвлажнен газ за сушене. В състояние на регенерация молекулярните сита се нагряват до тяхната температура на регенерация с горещ въздух. Газът, преминаващ през молекулярните сита, събира отстранената влага и я пренася в околната среда. Друг метод за генериране на сух газ е да се намали налягането на сгъстения газ. Предимството на този метод е, че сгъстеният газ в захранващата мрежа има точка на оросяване под ниско налягане. След като налягането се намали, неговата точка на оросяване достига приблизително 0 градуса. Ако се изисква още по-ниска точка на оросяване, могат да се използват мембранни или адсорбционни изсушители за допълнително намаляване на точката на оросяване на въздуха, преди да се намали налягането на сгъстения въздух.

При сушене на изсушен въздух енергията, необходима за производството на сух газ, трябва да се изчислява отделно. При адсорбционно сушене регенерираното молекулярно сито трябва да се нагрее от температурата на сухо състояние (приблизително 60 градуса) до температурата на регенериране (приблизително 200 градуса). Това обикновено се прави чрез непрекъснато нагряване на газа до температурата на регенериране през молекулярното сито, докато достигне определена температура при излизане от ситото. Теоретично енергията, необходима за регенериране, се състои от енергията, необходима за загряване на молекулярното сито и адсорбираната в него вода, енергията, необходима за преодоляване на адхезията на молекулярното сито към водата, и енергията, необходима за изпаряване на влагата и повишаване на температурата на водната пара.

Като цяло, точката на оросяване, получена от адсорбцията, е свързана с температурата и капацитета за носене на влага на молекулярното сито. Обикновено точка на оросяване от 30 градуса или по-малко позволява на молекулярното сито да постигне капацитет за носене на влага от 10%. Теоретичната необходима енергия за производство на сух газ, изчислена от енергийни източници, е 0,004 kWh/m³. На практика обаче тази стойност трябва да е малко по-висока, тъй като изчисленията не отчитат загубите на вентилатор или топлина. Чрез сравнение може да се определи специфичната консумация на енергия на различните видове генератори на сушилни газове. Обикновено консумацията на енергия за изсушаване на изсушаващ газ е между 0,04 kWh/kg и 0,12 kWh/kg, в зависимост от материала и първоначалното съдържание на влага. При действителна работа може да достигне 0,25 kWh/kg или повече.

Енергията, необходима за сушене на гранули, се състои от две части: енергията, необходима за загряване на материала от стайна температура до температурата на сушене, и енергията, необходима за изпаряване на влагата. Необходимият обем газ обикновено се определя въз основа на температурата на изсушаващия газ, влизащ или напускащ бункера за сушене. Предаването на топлина от сух въздух при определена температура към гранулите чрез конвекция също е процес на конвективно сушене.

При реално производство действителната консумация на енергия понякога е много по-висока от теоретичната стойност. Например, материалът може да остане в бункера за сушене твърде дълго, което води до по-голямо количество газ, изразходван за завършване на процеса на сушене, или капацитетът на адсорбция на молекулярното сито може да не се използва напълно. Възможен метод за намаляване на търсенето на изсушаващ газ и по този начин по-ниски разходи за енергия е използването на дву-етапен изсушаващ бункер. При този тип оборудване материалът в горната част на бункера за сушене само се нагрява, но не се изсушава, така че отоплението може да се постигне с помощта на околния въздух или отработен газ от процеса на сушене. Използвайки този метод, често само 1/4 до 1/3 от обичайното количество газ за сушене трябва да се достави в бункера за сушене, като по този начин се намаляват разходите за енергия. Друг метод за подобряване на ефективността на изсушаване на изсушаващия газ е чрез термодвойки и регенерация с контролирана-точка на оросяване, докато немската компания Motan използва природен газ като гориво, за да намали разходите за енергия.

Вакуумно сушене

В момента вакуумното сушене е навлязло и в областта на обработката на пластмаси. Например, оборудването за вакуумно сушене, разработено от американската компания Maguire, се прилага за обработка на пластмаси. Тази машина с непрекъсната работа се състои от три камери, монтирани върху въртяща се транспортна лента. В първата камера, след напълване на гранулите, се въвежда газ, загрят до температурата на сушене, за загряване на гранулите. На изхода за газ, когато материалът достигне температурата на сушене, той се премества във втората камера, която се вакуумира. Тъй като вакуумът понижава точката на кипене на водата, влагата се изпарява по-лесно като водна пара, като по този начин ускорява процеса на дифузия на влагата. Вакуумът също създава по-голяма разлика в налягането между вътрешността на гранулите и околния въздух. Обикновено материалът престоява във втората камера 20-40 минути, но за някои силно хигроскопични материали може да са необходими до 60 минути. Накрая материалът се прехвърля в третата камера и се изважда от сушилнята.

Както при изсушаване на газ с изсушаване, така и при вакуумно сушене, енергията, изразходвана за нагряване на пластмасата, е една и съща, тъй като и двата метода се извършват при една и съща температура. Въпреки това, при вакуумно сушене самото сушене на газ не консумира енергия, но е необходима енергия за създаване на вакуум. Консумацията на енергия, необходима за създаване на вакуум, зависи от количеството материал, който се суши, и съдържанието на влага в него.

Инфрачервено сушене

Друг метод за сушене на гранули е инфрачервеното сушене. При конвекционното нагряване топлопроводимостта между газа и гранулите, между самите гранули и вътре в гранулите е много ниска, като по този начин значително ограничава преноса на топлина. Инфрачервено сушене, тъй като молекулите се облъчват от инфрачервена светлина, абсорбираната енергия се преобразува директно в топлинни вибрации, което означава, че материалът се нагрява по-бързо, отколкото при конвекционно сушене. В сравнение с конвекционното отопление, инфрачервеното сушене също включва обратен температурен градиент, в допълнение към локалната разлика в налягането между околния въздух и влагата в частиците. Обикновено, колкото по-голяма е температурната разлика между изсушаващия газ и нагретите частици, толкова по-бърз е процесът на сушене. Времето за инфрачервено сушене обикновено е от 5 до 15 минути. Понастоящем процесите на инфрачервено сушене са проектирани като ротационни тръбни системи, където частиците се транспортират и циркулират по спирална тръба с няколко инфрачервени нагревателя в централната секция. При инфрачервеното сушене мощността на оборудването може да бъде избрана въз основа на стандарт от 0,035 kWh/kg до 0,105 kWh/kg.

Както бе споменато по-рано, различното съдържание на влага в материала ще доведе до разлики в параметрите на процеса. Като цяло разликите в съдържанието на остатъчна влага може да се дължат на различни дебити на различни материали; следователно прекъсванията в процеса на сушене или стартирането и изключването на машината ще причинят разлики във времето на престой. При фиксиран дебит на газ, вариациите в дебита на материала обикновено се проявяват като промени в температурния профил и температурата на отработените газове. Производителите на сушилни измерват тези вариации, като използват различни методи и съпоставят скоростта на потока на изсушаващия газ с количеството материал, който се изсушава, като по този начин регулират температурния профил на бункера за сушене, за да гарантират, че гранулите имат стабилно време на престой при температурата на сушене.

Освен това вариращото първоначално съдържание на влага в материала може да доведе до нестабилност в съдържанието на остатъчна влага. Тъй като времето на престой е фиксирано, значителна промяна в първоначалното съдържание на влага неизбежно ще доведе до подобна значителна промяна в съдържанието на остатъчна влага. За постигане на стабилно съдържание на остатъчна влага е необходимо да се измери както началното, така и остатъчното съдържание на влага. Въпреки това, поради ниското съдържание на остатъчна влага, онлайн измерването е трудно и дългото време на престой на материала в системата за сушене може да причини проблеми с контрола, ако съдържанието на остатъчна влага се използва като изходен сигнал. Поради това производителите на сушилни са разработили нова концепция за управление за постигане на стабилно съдържание на остатъчна влага. Тази концепция за управление има за цел да поддържа стабилно съдържание на остатъчна влага чрез използване на параметри на процеса като първоначалното съдържание на влага в пластмасата, точката на оросяване на входящите и изходящите газове, скоростта на газовия поток и скоростта на потока на гранулите като входни променливи. Това позволява на системата за сушене да се регулира незабавно въз основа на тези променливи, за да поддържа стабилно съдържание на остатъчна влага.

Инфрачервеното сушене и вакуумното сушене са нови технологии в обработката на пластмаси. Прилагането им значително съкращава времето за престой на материала и намалява разхода на енергия. Въпреки това, тези иновативни процеси на сушене също са относително скъпи. Поради това през последните години бяха положени усилия за подобряване на ефективността на традиционното изсушаване на газове за изсушаване. По този начин, когато се вземат инвестиционни решения, трябва да се извърши задълбочена оценка на разходите, като се вземат предвид не само разходите за доставка, но и тръбопроводи, енергия, пространство и поддръжка, за да се увеличи максимално възвръщаемостта на инвестицията.