Grundlagen

Thermische Trocknung - Mechanische Entfeuchtung

Bei der thermischen Trocknung wird die zu entfernende Feuchte verdunstet oder verdampft. Der Prozeß ist energieaufwändiger als die mechanische Entfeuchtung. Deshalb soll der Feststoff vor der Trocknung möglichst auf Zentrifugen, Nutschen etc. entfeuchtet werden.

Drei wichtige Teilprozesse

Der thermische Trocknungsprozeß besteht aus drei wesentlichen Teilprozessen: der Wärmeübertragung von der Umgebung zum Feuchtgut hin, der Phasenumwandlung des Lösungsmittels und dem Abtransport des Lösungsmitteldampfes.

Drei Arten der Wärmezufuhr

Nach der Art der Wärmezufuhr unterscheidet man konvektive Trocknung durch einen heißen Gasstrom, Kontakttrocknung durch heiße Flächen und Strahlungstrocknung, bei der die Energie über elektromagnetische Wellen zugeführt wird. An vielen Trocknungsprozessen sind mehrere Arten der Wärmeübertragung beteiligt - der Gesamtwärmestrom berechnet sich dann aus der Summe der Teilwärmeströme.

Die Dampfabfuhr erfolgt durch Diffusion in die Umgebungsluft (oder Inertgas) oder durch Dampfströmung, wie beispielsweise bei der Vakuumtrocknung.

Außen und innen

Die physikalischen Vorgänge, die den Trocknungsprozeß bestimmen, sind gekoppelte Wärme- und Stofftransportprozesse. Man unterscheidet zwischen den gutsinneren Transportprozessen und den äußeren Randbedingungen des Trocknungsprozesse.

Die prozeßbestimmenden gutsinneren Prozesse sind:

  • der Wärmetransport: durch Wärmeleitung wird die zur Trocknung notwendige Energie von der Oberfläche ins Innere geleitet, die Wärmeleitfähigkeit des Feststoffes ist von seinem Feuchtegehalt abhängig und verschlechtert sich bei geringeren Gutsfeuchten, (bei Feststoffen mit sehr schlechter Wärmeleitfähigkeit, z.B. Schäumen, limitiert die Wärmeleitung den Gesamtprozeß, dann ist die Erwärmung des Gutsinneren, z.B. durch Mikrowellenenergie, in Erwägung zu ziehen), das Transportpotential für die Wärmeleitung sind Temperaturunterschiede im Feststoff,
  • der Feuchtetransport: die Feuchteleitung ist verantwortlich für den Transport der Flüssigkeit aus dem Inneren des Trocknungsguts hin zur Oberfläche, die Feuchteleitfähigkeit des Feststoffes ist von seinem Feuchtegehalt abhängig und verschlechtert sich mit abnehmendem Feuchtegehalt, weiterhin hängt die Feuchteleitfähigkeit ganz wesentlich von der Struktur der Feststoffmatrix ab und ist damit gutscharakteristisch, das Transportpotential für die Feuchteleitung ist der Kapillardruck in der Flüssigkeit, dieser steigt mit abnehmender Porengröße und mit abnehmendem Feuchtegehalt stark an,
  • der Dampftransport: Stofftransport in der gasförmigen Phase findet infolge von Dampfdiffusion statt, entscheidend für dessen Größe ist der binäre Diffusionskoeffizient des Dampfes im Gas (in der Regel Luft) und der Diffusionswiderstand des Feststoffes, der Diffusionswiderstand des Feststoffes ist vom Feuchtegehalt abhängig und nimmt oft mit abnehmendem Feuchtegehalt drastisch ab (so entstehen trockene Krusten an der Gutsoberfläche, die die Trocknungszeit stark verlängern können), das Transportpotential für den Dampftransport ist der Partialdruck des Dampfes.

Die prozeßbestimmenden äußeren Randbedingungen sind:

  • der Wärmeübergang zum Trocknungsgut: er kann konvektiv, durch Kontakt oder durch Strahlung erfolgen,
  • der Stoffübergang in die Umgebung: er erfolgt durch Diffusion in einem Inertgas oder durch Strömung infolge von Druckunterschieden.

Für eine rein konvektive Trocknung gilt die Analogie von Wärme- und Stoffübertragung (Nusselt-Zahl = Sherwood-Zahl). Damit kann aus einem bekannten Wärmeübergangskoeffizienten Alpha der Stoffübergangskoeffizient Beta berechnet werden.

Für das Beispiel der Trocknung eines Haufwerkes habe ich ein Berechnungsprogramm in der Dokumentation meiner Dissertation abgelegt. Wer sich ein paar Stunden für die Beschäftigung mit dem Programm Zeit nimmt kann die gutsinneren Feuchte- und Temperaturverteilungen bei der konvektiven Trocknung berechnen. Das Programm eignet sich sehr gut, den Einfluß unterschiedlicher Korngröße und Porosität sowie unterschiedlicher äußerer Randbedingungen auf den Trocknungsprozeß zu untersuchen.

Vorsicht, heiß!

Thermische Trocknung führt immer zur thermischen Beanspruchung des Feststoffs. Neben der Erhaltung der Produktqualität ist deshalb vor allem die Sicherheit des Prozesses zu gewährleisten!

Die Trocknung soll aus wirtschaftlichen Gründen möglichst bei der maximal zulässigen Trocnungstemperatur erfolgen, weil dann die Anlagen- und Betriebskosten am geringsten sind.

Wie trocken?

Die niedrigste, beim Trocknungsprozeß erzielbare Restfeuchte wird durch das sorptive Gleichgewicht zwischen dem Feststoff und seiner Umgebung bestimmt. Das Trocknen auf sehr geringe Restfeuchten (ebenso das Desodorieren, geruchsfrei machen) ist sehr aufwendig, weil in der Regel hohe Gasmengen und lange Verweilzeiten erforderlich sind.

Grundsatz: so trocken wie nötig, nicht so trocken wie möglich.

Wie lange?

Die zur Trocknung erforderliche Verweilzeit wird durch die produktcharakteristische Trocknungskinetik beschrieben.

Bei der Kurzzeittrocknung trocknet das Produkt innerhalb weniger Sekunden. Eine wässrige Lösung kann beispielsweise im Sprühturm innerhalb von 10 Sekunden zu Pulver mit einer Partikelgröße vom 0.1 mm getrocknet werden.

Die Trocknung bei mittleren Verweilzeiten von mehreren Minuten ist beispielsweise bei Feststoffen erforderlich, wenn die Flüssigkeit aufgrund von Dampfdiffusion aus dem Inneren des Partikels an dessen Oberfläche gelangen muß.

Die Langzeittrocknung von mehreren Stunden ist beispielsweise bei der Feststoffdiffusion der Feuchtigkeit aus einem Kunststoffgranulat von 3 mm Durchmesser erforderlich.

Die erforderliche Trocknungszeit ist ein wichtiges Kriterium für die Auswahl einer geeigneten Trocknungsanlage.