Versuch 2.7. Trocknung
2.7. Trocknung von Feststoffen 2.7.0. Verzeichnis der verwendeten Symbole X X Y ϕ m i Gutfeuchte, Beladung des Gutes mittlere Gutfeuchte absolute Luftfeuchte, Beladung der Luft relative Luftfeuchte Masse des Stoffes p D Partialdruck des Wasserdampfes p S Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes in der Luft h L Enthalpie der trockenen Luft h D Enthalpie des Wasserdampfes in der Luft Δh v Verdampfungsenthalpie des Wassers h (1+Y) Enthalpie der feuchten Luft c p mittlere spezifische Wärme bei konstantem Druck u t T,ϑ A σ Trocknungsgeschwindigkeit Trockenzeit Temperatur Oberfläche für den Stoff- und Wärmeübergang Verdunstungskoeffizient Versuch 2.7. - Seite 2
2.7.1. Einleitung In der chemischen Industrie spielen Trocknungsprozesse bei der Herstellung chemischer Zwischen- und Endprodukte eine wichtige Rolle. Dabei geht es darum, die einem Produkt anhaftende Flüssigkeit zu entfernen. Nach ihren kolloid-physikalischen Eigenschaften kann man drei Arten feuchter Güter unterscheiden: - typisch kolloidale Stoffe (elastische Gele), sie schrumpfen bei Feuchtigkeitsentzug merklich, behalten jedoch ihre elastischen Eigenschaften (z.b. Gelatine, Seife) - kapillarporöse Stoffe (spröde Gele), sie verspröden bei Feuchtigkeitsentzug und werden mahlbar (z.b. feuchter Quarzsand, Holzkohle) - kolloide kapillarporöse Stoffe, sie besitzen die Eigenschaften beider Gruppen, Kapillarwände sind elastisch und quellen bei Wasseraufnahme (z.b. Baustoffe, Torf, Karton) Folgende Arten der Bindung der Feuchtigkeit an das Gut können unterschieden werden: Haftflüssigkeit Darunter ist der zusammenhängende Flüssigkeitsfilm an der äußeren Oberfläche des Gutes zu verstehen. Über diesem Film wird der Sättigungsdruck erreicht, der der Gutoberflächentemperatur entspricht. Kapillarflüssigkeit Diese Flüssigkeit benetzt die innere Oberfläche des Körpers und muss während des Trocknens an die äußere Oberfläche befördert werden. In den Kapillaren liegt an der Flüssigkeitsoberfläche ein geringerer Dampfdruck als der eigentliche Sättigungsdampfdruck vor. chemisch gebundene Flüssigkeit Die Flüssigkeit ist in Form von Kristallwasser oder in Form einer ionogenen Bindung angelagert. Hierbei vollzieht sich bei der Trocknung eine chemische Reaktion. Bei der Feststofftrocknung wird im Wesentlichen nur die Haft- und Kapillarflüssigkeit entfernt. Dabei überlagern sich Stoff- und Wärmetransportvorgänge, nach denen eine Klassifizierung möglich ist. So können die Trocknungsverfahren nach der Art der Wärmezufuhr unterteilt werden: Kontakttrocknung Das zu trocknende Gut wird über beheizte Flächen geführt oder ruht auf diesen. Konvektionstrocknung Die erforderliche Wärme wird durch gas- oder dampfförmiges Trockenmittel an das Gut übertragen. Strahlungstrocknung Die Wärmeübertragung erfolgt durch in der Umgebung befindliche strahlende Flächen. Die Konvektions- und Kontakttrockner sind am gebräuchlichsten. Ihre technische Ausführung richtet sich nach den Eigenschaften der Trockengüter. So gibt es Kammer-, Kanal-, Tunnel-, Etagen-, Trommel-, Sprühtrockner usw.. Als optimal wird der Trockner bezeichnet, der die höchste Produktqualität bei niedrigstem Energieverbrauch und größtem Durchsatz gewährleistet. Wegen des hohen Energiebedarfs der Trocknung ist die Auswahl eines Trockners von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung. Eine richtige Entscheidung ist nur bei Kenntnis der Kinetik des Trocknungsprozesses möglich. Deswegen ist die Vermittlung grundlegenden Wissens über die Trocknung Gegenstand dieses Praktikumsversuches, der sich vor allem mit der Konvektionstrocknung was- Versuch 2.7. - Seite 3
serhaltiger Güter mit Luft beschäftigt. 2.7.2. Theoretische Grundlagen 2.7.2.1. Verlauf der Feststofftrocknung Unter Trocknen ist das Entfernen von Feuchtigkeit (oft Wasser) aus einem feuchten Gut unter Anwendung thermischer Energie zu verstehen. Aufnehmendes Medium ist dabei meist die Luft. Gutfeuchte X [kg/kg] I. Trocknungsabschnitt X Kn II. Trocknungsabschnitt Abb.1: Trocknungskurve u [kg/kg s] t Kn t [s] II. Trocknungsabschnitt I. variabler Verlauf Knickpunkt X Kn Gutfeuchte [kg/kg] Abb.2: Trocknungsgeschwindigkeit u in Abhängigkeit von der Gutfeuchte X Der Trocknungsprozess gliedert sich in die Teilvorgänge Verdunsten bzw. Verdampfen der Flüssigkeit (Wärmetransport) und Abtransport des Dampfes (Stofftransport). Der Verlauf Versuch 2.7. - Seite 4
der Trocknung wird wesentlich von der Bindung der Feuchtigkeit an den Feststoff beeinflusst und ist in der Regel durch zwei Trocknungsabschnitte gekennzeichnet (s.abb.1): - Im ersten Trocknungsabschnitt liegt eine reine Oberflächenverdunstung vor. Aus dem Inneren des Gutes wird so viel Flüssigkeit nachgefördert, dass ein geschlossener Flüssigkeitsfilm erhalten bleibt. Die Trocknungsgeschwindigkeit u ist konstant (s.abb.2). - Im zweiten Trocknungsabschnitt wandert der Flüssigkeitsspiegel nach Überschreiten der Knickpunktfeuchte X kn ( kritische Gutfeuchte X kritt ) in das Innere des Gutes. Die Trocknungsgeschwindigkeit hängt von der Diffusion der Feuchtigkeit aus dem Gutinneren ab. Durch die Senkung des Dampfdruckes wird die Trocknungsgeschwindigkeit herabgesetzt. Der Übergang von der Oberflächenverdampfung zur Verdampfung aus Kapillaren wird durch den Knickpunkt (Wert für die kritische Gutfeuchte) charakterisiert (s.abb.2). 2.7.2.2. Eigenschaften der feuchten Luft Als Trockenmittel wird oft trockene bzw. wenig beladene Luft, aber auch überhitzter Wasserdampf eingesetzt. Das Kriterium für die Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit der Luft ist die relative Luftfeuchtigkeit. Sie ist definiert als: = p D ϕ (1) ps p D p S Partialdruck des Wasserdampfes [Pa] Sättigungsdruck des Wasserdampfes in der Luft [Pa] Für die Berechnung und Modellierung des Trocknungsprozesses ist jedoch die Verwendung der absoluten Feuchte der Luft bzw. des Trockengutes (Beladung) gebräuchlich. Beladung der Luft: m m W Y = (2) L Beladung des Gutes m W m L m G m W X = (3) mg Masse des Wassers [kg] Masse der trockenen Luft [kg] Masse des trockenen Gutes [kg] Eine weitere wichtige Größe ist die Enthalpie der feuchten Luft h (1+ Y) Sie ist die Summe aus der Enthalpie der trockenen Luft h L, der Enthalpie des in ihr enthaltenen Wasserdampfes h D sowie der Verdampfungsenthalpie des Wassers Δh v. Per Definition wird die Enthalpie trockener Luft bei 0 o C und die Enthalpie flüssigen Wassers bei 0 o C gleich Null gesetzt. Wird weiterhin die Temperatur ϑ = 0 o C als Bezugspunkt festgelegt, und nimmt man an, dass auch am Nullpunkt Wasser verdunstet, so gilt folgende Gleichung: h (1+Y) = ( c p,l + c p,w * Y) * ϑ + Y * Δh v (4) mit c p als mittlere spezifische Wärme der trockenen Luft bzw. des Wasserdampfes bei konstantem Druck in [ J g -1 K -1 ]. Versuch 2.7. - Seite 5
Mit Hilfe dieser Gleichung können für bestimmte Temperaturen und Dampfgehalte x die Werte für die Enthalpie ermittelt werden. Es ist auch möglich, die Enthalpie mittels des h (1+Y) -Diagramms von MOLLIER (s..abb.3) zu bestimmen. Grundparameter dieses Diagrammes sind die spezifische Enthalpie h (1+Y) und der absolute Feuchtegehalt der Luft Y. Es enthält weiterhin in Parameterdarstellung die Temperatur T und die relative Luftfeuchtigkeit ϕ. Auf der Ordinate des rechtwinkligen Kordinatensystems wird die Temperatur (blau) und des schiefwinkligen Koordinatensystems (135 0 ) die spezifische Enthalpie, auf der Abzisse der absolute Feuchtegehalt aufgetragen. Wegen der Schiefwinkligkeit der Achsen ist im MOLLIER-Diagramm die rechtwinklig zur Ordinate angeordnete Achse eine Hilfsachse. Dadurch verlaufen die Linien gleicher Enthalpie (rot) schräg im Winkel von 135 0 zur Abzisse, die Linien gleicher absoluter Feuchte aber parallel zur Ordinate. Die Linie ϕ = 1 teilt das Diagramm in zwei Gebiete. Oberhalb dieser Linie befindet sich das Gebiet der ungesättigten Luft, unterhalb ist das sog. Nebelgebiet (mit Wasser übersättigte Luft) angeordnet. Das Diagramm enthält weiterhin die Linien konstanter Kühlgrenztemperatur T K (Verlauf der Trocknung in einem realen Trockner ) und als Randmaßstab den spezifischen Energieverbrauch eines ideal arbeitenden Trockners. In Abb.3 ist der Trocknungsprozess in einem idealen Trockner dargestellt. Die Frischluft tritt mit einer bestimmten Feuchtigkeit ϕ 0 und einer bestimmten Temperatur T o in den Trockner ein (Punkt 0). Danach wird sie auf die Temperatur T 1 erwärmt, wobei der absolute Wassergehalt Y 0 konstant bleibt. Im Punkt 1 beginnt die Trocknung, d.h. die Frischluft belädt sich mit der vom zu trocknenden Gut abgegebenen (verdunsteten) Wassermenge. Die Zustandsänderung der feuchten Luft erfolgt auf einer Geraden h = const. bis zu einem Endpunkt 2 mit dessen Parametern ϕ 2, T 2 sie den Trockner verlässt. Bei maximaler Wasseraufnahme würde sie im Punkt K die Linie ϕ = 1 schneiden. Die Temperatur, die sie dann erreicht, heißt Kühlgrenztemperatur. Das ist in der Regel auch die Temperatur, die die feuchte Gutoberfläche annimmt. Wird feuchte Luft mit konstantem Wassergehalt abgekühlt wird ein Schnittpunkt mit der Linie ϕ = 1 die Taupunktstemperatur τ erreicht. Aus dem MOLLIER - Diagramm ist auch der spezifische Energieverbrauch Δh / ΔY anhand eines- Randmaßstabes abzulesen. Versuch 2.7. - Seite 6
h 1+Y [kj/kg] 175 150 125 100 75 50 25 T 1 T 2 T K T 0 T τ Δh 1+Y / ΔY Y 2 - Y 1 [kj/kg] 5000 4000 3500 423 K ϕ = 0,05 ϕ = 0,1 ϕ = 0,2 1 373 K ϕ = 0,4 ϕ = 0,6 ϕ = 0,8 323 K ϕ = 1,0 0 2 313 K K τ,2 τ,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Y Y 0 = Y1 = Y τ Y2 YK Δh 1+Y / ΔY 0 1000 1500 h,y-diagramm für feuchte Luft [g kg] 3000 2500 2000 Abb.3: Zustandsänderung der Luft beim Trocknungsprozess (die roten Geraden sind Isenthalpen, die blauen Geraden Isothermen) Versuch 2.7. - Seite 7
2.7.2.3. Triebkräfte der Trocknung Die Triebkräfte der Trocknung sind Dampfdruck- und Temperaturdifferenzen, die zwischen Gut und Trocknungsmedium bestehen. An der Grenzfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase ist das Trocknungsmittel mit Feuchte gesättigt. Der Dampfdruck erreicht den Sättigungsdampfdruck, der der Guttemperatur an der Gutoberfläche entspricht. Durch Diffusion und Konvektion erfolgt der Transport des Dampfes aus der Grenzschicht ins Trocknungsmittel. Die Nachlieferung von Flüssigkeit in die gutseitige Grenzschicht erfolgt aus dem Inneren des Gutes. Solange genügend Flüssigkeit nachgeführt wird, stellt sich an der Grenzschicht ein quasistationärer Zustand ein. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Zeiteinheit genau soviel Wärmeenergie durch das Trocknungsgut aufgenommen wird, wie zum Verdampfen einer bestimmten Menge Flüssigkeit notwendig ist. ϑ pd turbulenter Kern PS laminare Grenzschicht Flüssigkeitsspiegel Gutoberfläche P ϑ Abb.4: Temperatur- und Dampfdruckprofil an der Phasengrenzfläche An der Oberfläche des Trocknungsgutes stellt sich dementsprechend während des ersten Trocknungsabschnittes eine bestimmte Temperatur ein, die im Grenzfall der Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts Kühlgrenztemperatur genannt wird. Diese ist genügend genau aus dem Schnittpunkt der Linie konstanter Enthalpie und der Sättigungskurve aus dem Mollierdiagramm bestimmbar. Auf diesem Wege ist ebenfalls die maximale Beladung der Luft bei einem bestimmten Energieinhalt leicht aus dem Mollierdiagramm zu entnehmen. 2.7.2.4. Die Trocknungsgeschwindigkeit und der Verdunstungskoeffizient Die Trocknungsgeschwindigkeit u ist folgendermaßen definiert: u = dx dt (5) Als Änderung des Masseverlustes des Trocknungsgutes bzw. der mittleren Gutfeuchte mit der Zeit ist sie im ersten Trocknungsabschnitt konstant (s.abb.1) und leicht durch lineare Versuch 2.7. - Seite 8
Regression bzw. Differenzenquotient zu berechnen. Die Berechnung der Trocknungsgeschwindigkeit des zweiten Abschnittes ist auf Grund ihres nicht linearen Verlaufs wesentlich komplizierter. Da bei der Trocknung die Gutfeuchte durch Verdunstung von der Gutoberfläche an das Trocknungsmittel übergeht, handelt es sich um einen Triebkraftprozess an einer einseitig durchlässigen Grenzschicht. Der Stoffübergangskoeffizient wird im Falle der Trocknung als Verdunstungskoeffizient bezeichnet. Er ist abhängig von den Oberflächeneigenschaften (wirksame Oberfläche) des Trocknungsgutes, der Temperatur und den Strömungsverhältnissen an der Oberfläche. dx A = σ ( dt m Y Y K o) (6) G σ Verdunstungskoeffizient [kg m -2 s -1 ] A wirksame Oberfläche für den Stoff- und Wärmeübergang [m 2 ] Y O Dampfgehalt der Luft bei Eintritt in den Trockner Dampfgehalt der Luft an der Kühlgrenze Y K Danach ist er aus der Trocknungsgeschwindigkeit, der Verdunstungsoberfläche und der Beladungsdifferenz des Trocknungsmittels als Triebkraft zu berechnen. 2.7.3. Aufgabenstellung a) Mit Hilfe einer Trocknungswaage ist die Kinetik des Trocknungsprozesses verschiedener Trocknungsgüter bei verschiedenen Temperaturen zu untersuchen. Als Trocknungsgüter stehen Kieselgele unterschiedlicher Körnung, gebrannte Tone, Kaoline u. Ä.. zur Verfügung. b) Die Funktionen X = f (t) sowie u = f ( X ) sind grafisch darzustellen. c) Berechnen Sie die Trocknungsgeschwindigkeit sowie die Verdunstungskoeffizienten für die jeweiligen Trocknungsgüter nach Gl.(5) und (6)! d) Diskutieren Sie die experimentell erhaltenen Trocknungskurven hinsichtlich ihres Verlaufs! e) Ermitteln Sie auf der Grundlage gegebener Werte den spezifischen Energieverbrauch eines Trockners mit Hilfe des MOLLIER- Diagramms! 2.7.4. Versuchsdurchführung Die Trocknungswaage arbeitet kontinuierlich nach dem Trocknungs - Wäge - Prinzip, d.h. während des Trocknungsprozesses kann der Masseverlust bzw. das Restgewicht des Trocknungsgutes bestimmt werden. Bei diesem Versuch werden unterschiedliche Trocknungsgüter bei unterschiedlichen Trocknungstemperaturen getrocknet. Während des Messzyklus wird die Gewichtsabnahme nach einem vorgegebenen Trocknungsprogramm protokolliert. Versuch 2.7. - Seite 9
Das zu trocknende Gut wird durch Befeuchtung und anschließende Filtration vorbereitet und in die dafür vorgesehenen Probeschalen eingewogen. Danach wird das Trocknungsprogramm gestartet. Der optimale Versuchsablauf muss durch Vorversuche ermittelt werden. Die Messung ist beendet, wenn Gewichtskonstanz der Probe entsprechend Programm erreicht ist. 2.7.5. Versuchsauswertung Die Änderung der Masse m ist als Funktion der Zeit X = f (t) darzustellen. Die ermittelte Trocknungsgeschwindigkeit bezogen auf die Stoffübergangsfläche wird als Funktion der Gutfeuchte X dargestellt. Der erste und zweite Trocknungsabschnitt sind zu kennzeichnen. Die kritische Gutfeuchte ist zu bestimmen. Die Trocknungsgeschwindigkeit und der Verdunstungskoeffizient werden für den ersten Trocknungsabschnitt berechnet. Die Stoff-und Wärmeübertragungsfläche wird näherungsweise aus einer Korngrößenanalyse (RRSB- Diagramm ) bestimmt. Für die Bestimmung des spezifischen Energieverbrauchs eines Trockners liegt das MOLLIER-Diagramm aus. Für die Berechnung wird Y K als Beladung der Luft an der Kühlgrenze zu Grunde gelegt.y 0 ist die Ausgangsbeladung der Frischluft (Umgebungsluft) und Y 2 die Endbeladung der den Trockner verlassenden Luft. Y K und Y 2 werden dem MOLLIER-Diagramm entnommen. Y 0 erhält man durch die Messung der relativen Raumluftfeuchtigkeit und anschließender Ablesung aus dem MOLLIER-Diagramm. Der Spezifische Energieverbrauch berechnet sich zu: q = (h 1,2 -h 0 )/(Y 2 -Y 0 ) oder lässt sich graphisch ermitteln. 2.7.6. Literatur AUTORENKOLLEKTIV: Lehrbuch der Technischen Chemie, 2. Aufl. 1974, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, AUTORENKOLLEKTIV: Technisch-chemisches Praktikum, 1. Aufl. 1977, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, JAKUBITH: Chemische Verfahrenstechnik, 1. Aufl. 1991, VCH Weinheim, New York, Basel, Cambridge SATTLER: Thermische Trennverfahren, 2. Aufl. VCH 1995, Weinheim, New York, Basel, Cambridge GRASSMANN, WIDMER, SINN: Einführung in die thermische Verfahrenstechnik 3. Aufl. 1997, Walter de Gruyter Verlag Berlin, New York VAUCK, MÜLLER: Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik, 9.Aufl. 1992, Verlag Theodor Steinkopf Dresden, Leipzig Versuch 2.7. - Seite 10