Die Trocknung von Produkten

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1 Die Trocknung von Produkten Überblick zu Ansatzpunkten energieeffizienter Lösungen Prof. Dr.-Ing. Andreas Bück Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 1

2 Einleitung Motivation Was ist Trocknung? Entfernung eines Flüssigkeitsgemisches aus einer feststoffhaltigen Lösung, Suspension oder Schmelze, aus Geweben, Haufwerken, Filmen, DeCon DeCoating Control GmbH ABZ M. Schönherr/Wikipedia Unilever Domo Chemicals IKV Lubricants 2

3 Einleitung Motivation Weshalb Trocknung? Stabilisierung, Konservierung Reduzierung von Transport und Lagerkosten Entfernung toxischer Rückstände (z.b. Monomerreste in Polymerherstellung) Vereinfachte Handhabung (z.b. verbessertes Fließverhalten) Anforderungen in der Weiterverarbeitung Struktur- oder Texturbildung (z.b. Sprühtrocknung, Sprühwirbelschichten) Grundlegende Einschränkungen Erhalt bzw. Verbesserung der Produktqualität Minimierung der Investment-, Betriebs- und Wartungskosten Minimierung des Umwelteinflusses Maximierung der Prozesssicherheit (Risiko von Feuer, Dämpfe, Stäube etc.) 3

4 Einleitung Struktur- und Texturbildung Sprühtrocknung Sprühwirbelschichtgranulation BaSO4-Suspensionen 4 Monce et al., 2001; Modern Drying Technology, Vol. 3, Ch. 6

5 Trocknungsprozesse Klassifizierung Mechanische Trocknung: Einsatz mechanischer Kräfte zur Auftrennung von Suspensionen (Filtration, Sedimentation, Zentrifugieren) Thermische Trocknung: Trennung von Flüssigkeit und Feststoff durch Phasenübergang (Verdampfung, Gefrieren/Sublimation) Thermische Trockner Keine Standardklassifizierung von Trocknertypen, ca. 500 in Benutzung Möglichkeit zur Klassifizierung: Energiezufuhr Konvektionstrocknung (ca. 75% der Gesamtkapazität) (Wärmezufuhr über strömendes Gas/Dampf) Kontakttrocknung (ca. 20% der Gesamtkapazität) (Wärmezufuhr über Kontakt des Materials mit beheizten Flächen) Strahlungstrocknung (< 5% der Gesamtkapazität) Vakuum- und Gefriertrocknung (Spezialanwendungen) 5

6 Trocknungsprozesse Energiebedarf Trocknungsprozesse sind i.a. sehr energieintensiv und benötigen signifikante Anteile des Gesamtenergieverbrauches UK: ca. 10% insgesamt EU: allein 8% im Bereich Milchverarbeitung Weltweit: bis zu 25% Aufteilung des Energiebedarfes unter den Anwendungsgebieten (UK) 6

7 Trocknungsprozesse Energiebedarf Situation in Deutschland Energienutzung (Gesamt: 2400 TWh) Bereitstellung Industrie (Gesamt: 697 TWh) 7

8 Trocknungsprozesse Preisentwicklung Energie In Deutschland (bezogen auf 2010) Kosten: markt- und politikgetrieben 8

9 Trocknungsprozesse Preisentwicklung Energie Zusammensetzung des Strompreises (Deutschland) staatlich veranlasste Anteile 9

10 Trocknungsprozesse Wirkungsgrade Steigende Energiekosten und internationale Konkurrenz erzwingen Ansätze zur energieeffizienten Durchführung von Trocknungsprozessen Typische durchschnittliche Wirkungsgrade bei thermischen Trocknern: 20 90% (bezogen auf Energieeinsatz) Sprühtrocknung: ca % Aufzubringende Energiemenge entspricht einem Vielfachen der Verdampfungsenthalpie (z.b. Wasser bei 0 C: 2500 kj/kg)! Zwei wesentliche Strategien Energierückgewinnung: Wiedernutzbarmachung ungenutzter Energie Prozessintensivierung: Verbesserung der Energieausnutzung (Wärme- und Stoffübergang) I. Kemp, Drying Technology 23,

11 Energieeinsparung Reduzierung des thermischen Energiebedarfes durch mechanische Vortrocknung (z.b. Filtration, Zentrifugieren, ) spezifischer Energiebedarf bei mechanischer Trocknung i.d.r. wesentlich geringer als für den Phasenübergang benötigte Energie Vortrocknung/Entwässerung der Suspension und nur thermische Trocknung für Restfeuchte (gebundene Feuchte/Kernfeuchte) Nachteile zusätzliche Apparate notwendig nur anwendbar auf Suspensionen Trocknung des Kuchens (poröses Material) kann sehr schwierig sein Veränderung des Materials (Verformung, Kompression, Agglomeration, ) I. Kemp, Drying Technology 23,

12 Energieeinsparung Minimierung von Wärmeverlusten: Isolierung der Trocknung bzw. thermische Trennung der Komponenten Nachteil: Erhebliche Investitionskosten Vorteil: Isolierung vergleichmäßigt Temperaturprofil und reduziert auch Entstehung von cold spots und die Gefahr der Kondensation verdampfter Flüssigkeit Optimierung des Gasbedarfes (Konvektionstrocknung): Vermeidung der Verwendung zu hoher Gasströme (zu beheizen!), allerdings sind kapazitive Grenzen zu beachten (Sättigungsbeladung) Optimierung der Trocknungsdauer (Batch): Vermeidung von Übertrocknung und (unnötiger) Aufheizung des Materials; sehr produkt-spezifisch schwierig umzusetzen, falls Vorlageeigenschaften großen Schwankungen unterliegen I. Kemp, Drying Technology 23,

13 Energierückgewinnung Wärmerückgewinnung innerhalb des Trockners (konvektiv) z.b. Nutzung der Wärme im Abgas (Heißluft) zum Aufheizen des eintretenden Gasstromes Problem: Temperaturdifferenz i.d.r. sehr klein, große Übertragerflächen notwendig, außerdem: Abgasreinigung (Staub, Fouling auf Übertragerflächen) Alternative: Einsatz von Rauchgas oder überhitztem Dampf Einsatz von Wärmepumpen Lift eines Teil von Niedertemperaturwärme auf ein höheres Temperaturniveau; Wirkungsgrade relativ niedrig benötigen mechanische Arbeit, oftmals aus elektrischen Quellen gespeist zusätzliche Apparate notwendig (Investment, Betrieb, Wartung) I. Kemp, Drying Technology 23,

14 Energieeinsparung Einsatz von Heißdampf- an Stelle von Heißgasprozessen prinzipiell in jedem konvektiven Trockner möglich Durchführung in reiner Dampfatmosphäre Leistung rein Wärmeübergang-dominiert (kein Stoffübergangswiderstand) erhöhte Prozesssicherheit, Steigerung der Produktqualität möglich einfache Wärmerückgewinnung durch Kondensation des Dampfes Wirkungsgrade bis zu 90% (bezogen auf Netto-Energieeinsatz) Nachteile hohes Temperaturniveau (Produkt!) geschlossener Kreislauf notwendig/dichtigkeit Ein-/Ausschleusung von Produkt aufwendig (z.b. bei Hochdruckbetrieb) anfängliches Befeuchten des Materials durch Dampfkondensation 14

15 Prozessintensivierung Ziel der Prozessintensivierung: Abbau von Wärme- und Stoffübergangswiderständen im Trocknungsprozess Damit: Verkürzung der Trocknungszeit (Betriebskosten) bzw. Erhöhung der Produktionskapazität Klassischer Verlauf der Konvektionstrocknung (Heißgas) bestimmt durch WuS-Widerstände Schwer zu trocknendes Pharmaprodukt 15

16 Prozessintensivierung Intensivierung der Konvektionstrocknung durch Heizflächen Einbringung von (dampfbeheizten) Heizflächen in Trockner zusätzlicher Wärmeübergang durch Feststoff-Kontakt mit der Heizfläche Nachteile Wärmeübertragungsfläche begrenzt Einfluss auf Strömungsprofil (Gas, Feststoff) möglicherweise Fouling auf Heizflächen rein konvektiv mit zusätzlichem Kontaktwärmeübergang Tsotsas et al., 2014; Modern Drying Technology, Vol. 5, Ch. 4 16

17 Prozessintensivierung Intensivierung der Wirbelschichttrocknung durch induktive Beheizung Ko-Fluidisierung von elektromagnetisch aktiven Materialien (Hohlkugeln) Beheizung im elektromagnetischen Wechselfeld (Induktion) sehr große, bewegliche Übertragungsfläche, Möglichkeit zur Selbstreinigung Nachteile elektrische Energie für EM-Feld notwendig Abtrennung Hohlkugeln vom Produkt notwendig Eisenhohlkugeln mit einstellbarer Wandstärke (Ko-Fluidisation) Induktionsspule Induktionsgenerator zu behandelndes Material Elektrisch leitende Inertpartikeln (Wärmeübertrager) Idakiev et al., Journal of Chemical Technology and Metallurgy 51, , Kalte Luft 17

18 Prozessintensivierung Intensivierung der Wirbelschichttrocknung durch induktive Beheizung gleiche Temperaturdifferenz kürzere Aufheiz- und Abkühlzeit (Induktion) Idakiev et al., Journal of Chemical Technology and Metallurgy 51, ,

19 Prozessintensivierung Intensivierung der Trocknung durch Strahlungseinsatz Wärmeübergang erfolgt bei Konvektions- und Kontakttrocknung über die Gutoberfläche (abhängig von innerem Aufbau, Wärmeleitfähigkeit, ) Elektromagnetische Strahlung: materialspezifische Eindringtiefe Dissipation der Strahlung innerhalb des Gutes: volumetrische Erhitzung Verbesserung der Verdampfung insb. im zweiten Trocknungsabschnitt (bis zu einer Größenordnung) breites Strahlungsspektrum verfügbar: Mikrowelle, IR, Radiowellen, Nachteile Mikrowellenbeheizung: elektrische Energie notwendig Absorptionsvermögen stark materialabhängig: Thermal run-away Erfahrungen zur Interaktion Material/EM-Feld nur punktuell vorhanden 19

20 Prozessintensivierung Intensivierung der Konvektionstrocknung durch Einsatz von Düsenfeldern Trocknen von Textilien, Papier, Folien, Lacken, hohe Anströmgeschwindigkeit sorgt für hohen (lokalen) Wärme- und Stoffübergang Specht, 2014; Modern Drying Technology, Vol. 5, Ch. 1 lokaler Wärmeübergangskoeffizient einer Einzeldüse 20

21 Prozessintensivierung Nachteile/Schwierigkeiten: Anströmung kann Oberflächenwellen erzeugen, die zur Veränderung der Oberfläche führen (Filme, Lacke) Erzeugung örtlich gleichmäßiger Anströmung mit wenigen Düsen Übergang zu Lochplatten, aber Absenkung des Wärmeübergangskoeffizienten Specht, 2014; Modern Drying Technology, Vol. 5, Ch. 1 21

22 Prozessintensivierung Kommerzielle Umsetzung, z.b. für Filmcoating (Bsp. FMP Technology GmbH) vier bis fünf Mal höhere Verdampfungsraten als bei üblichen Konvektionstrocknern geringere Betriebsdauer und damit Betriebskosten insgesamt bessere Energieausnutzung, Entwickler berichten von Einsparungen von 40 bis zu 60% Durst et al., Coating International 2015(1),

23 Zusammenfassung Es existieren verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz bzw. zur Verbesserung der Energieausnutzung Möglichkeiten zur besseren Energieintegration (EM-Strahlung) Verschiedene Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung, Verbesserung zum Beispiel durch Einsatz von Heißdampf Prozessintensivierung durch Kombination verschiedener Methoden (mechanische/thermische Trocknung) Erweiterung der Betrachtung auf ganze Prozessketten (Werkzeug: Pinch-Analyse) Aber: Ökonomische Beschränkungen sind zu beachten, insbesondere wegen der Notwendigkeit zusätzlicher Apparate bzw. des Einsatzes elektrischer Energie 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Der Autor bedankt sich für die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des InnoProfile-Transfer Projektes NaWiTec. 24