DE3215871A1 - Verfahren zur regelung von trocknungsvorgaengen - Google Patents

Description

HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT HOE 82/F 903 Dr.S-ei Werk Gendorf

Verfahren zur Regelung von Trocknungsvorgängen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Trocknungsvorgängen, bei denen ein wasserhaltiger feinteiliger Feststoff mit einem erhitzten Gas im Gleichstrom in Kontakt gebracht wird gemäß Anspruch 1.

Das Trocknen wasserhaltiger feinteiliger Feststoffe, die in Pulver- oder Granulatform vorliegen können, ist ein häufiger Verfahrensschritt, beispielsweise bei der Herstellung von chemischen Produkten oder Lebensmitteln. Dieser Verfahrensschritt hat in der Regel einen hohen Energiebedarf, da der wasserhaltige Feststoff zunächst erwärmt und anschließend das Wasser verdampft werden muß. Die Temperatur des wasserdampfhaltigen Gases nach der Trocknung ist im allgemeinen niedrig, typisch sind 100 ⁰C oder weniger. Es ist deshalb schwierig und teuer, die in dem wasserdampfhaltigen Gas enthaltene Wärme auszunützen. Der Trocknungsprozeß selbst muß daher so wirtschaftlich wie möglich durchgeführt werden. Das heißt aber, die pro Kilogramm Produkt zugeführte Wärmemenge soll so niedrig wie möglich sein.

Zur Regelung von Trocknungsvorgängen, bei denen ein wasserhaltiger feinteiliger Feststoff mit einem erhitzten Gas in Kontakt gebracht wird, ist es beispielsweise aus F. Kneule "Das Trocknen", Verlag Sauerländer, Aarau/Frankfurt, 3. Auflage, 1975, Seiten 581 bis 582, bekannt, bei einem Zerstäubungstrockner die Temperatur der aus der Trockenzone entweichenden Abluft zu messen

und mit diesem Meßwert die Zuführung von feuchtem Feststoff zum Trockner zu steuern. An der gleichen Stelle ist ferner die Regelung eines Stromtrockners beschrieben, wobei die Zuluft-und Ablufttemperatur gemessen wird, und mit diesen Meßwerten die Zuführung von Energie zum Lufterhitzer gesteuert wird. Ähnliche Regelsysteme sind beschrieben bei Masters "Spray drying" Leonard Hill Books; London, 1972, Seiten 337 und 339.

In "Chemical Engineering Progress", April 19 79, Seiten 50 bis 56, wird für eine automatische Trocknerregelung die Messung der Abluftfeuchte und der Endproduktfeuchte empfohlen. Verschiedene Meßmethoden hierfür sowie deren Vorzüge und Nachteile sind angegeben. In den VDI-Berichten Nr. 397 (1981), Seiten 39 und 40, wird zunächst festgestellt, daß der Entfeuchtungsprozeß nicht mehr definiert ist, wenn man die Temperatur nach dem Entfeuchtungsprozeß messen und danach den Lufterhitzer regeln würde. Als bessere Lösung wird die Mischluftregelung (Frischluft und Umluft) in Abhängigkeit von der Temperatur am Ausgang des Trockners angesehen. Es wird ferner festgestellt, daß sich die Leistung des Trockners optimal an die bestehenden Außenluft-Konditionen anpassen läßt, wenn man die Messung der Differenz der absoluten Feuchte vor und nach dem Trockner zur leistungsabhängigen Schiebung der Trocknertemperatur benützt. Hierbei gilt, daß die Menge und die Ausgangskonditionen des zu trocknenden Gutes konstant gehalten werden müssen. Ist dies nicht möglich, und ist es gleichzeitig wichtig, daß die resultierende Restfeuchte konstant zu halten ist, muß man zur Messung der Restfeuchte greifen und den gesamten Prozeß danach regeln.

Es ist ferner aus der SU-PS 294 531 ein Verfahren zur automatischen Steuerung von Trocknungsprozessen besonders für Schüttgüter durch Stabilisierung der Materialfeuchte nach dem Trockner bekannt, wobei die dem Trockner zugeführte gemessene Energiemenge und die Wassermenge, die im Trockner aus dem Material entfernt werden muß, zur Regelung benutzt werden. Die Wassermenge, die aus dem Material entfernt werden soll, wird bestimmt durch die Menge und den Feuchtegehalt des Materials am Eingang in den Trockner und durch den Feuchtegehalt des Materials nach dem Trockner. Das Verhältnis der dem Trockner zugeführten Energie zur Wassermenge, die im Trockner aus dem Produkt entfernt werden muß, wird korrigiert mit charakteristischen Materialdaten am Trocknerausgang. Hierbei wird jedoch die Abluftfeuchte nicht erwähnt.

Wie Kröll im Buche "Trocknungstechnik", Band 2, Springer Verlag, Berlin, 1978, Seite 572, unten, feststellt, ist es oft zu schwierig oder aufwendig, die Endfeuchte des Gutes zu messen. Man muß dann diese Endfeuchte über eine stellvertretende Größe regeln, wofür unter anderem in Sprühtrocknern die Ablufttemperatur in Betracht kommt.

Nach allen diesen Verfahren werden also im wesentlichen zwei Größen, nämlich entweder die Ablufttemperatur oder die Endfeuchte des Gutes zur Regelung der Trocknungsvorgänge herangezogen. Die Abgastemperatur ist zwar einfach zu messen, kann aber nur zu einer relativ groben Regelung dienen. Um Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt und in der Temperatur des zur Trocknung benutzten Gases sowie in Feuchtigkeitsgehalt und Menge des zu trocknenden Feststoffes auszuschalten, wird in der Regel aus Sicherheitsgründen mit einer zu hohen Abgastemperatur gefahren, um auf jeden Fall den gewünschten geringen

Restfeuchtegehalt des Produktes zu erzielen. Hierdurch tritt ein erhöhter Energiebedarf ein. Die Messung der Endproduktfeuchte ist, wie oben bereits erwähnt, schwierig, aufwendig, störanfällig und, bei schnellen Trocknungsvorgängen mit kurzer Verweilzeit des Feststoffs in der Trockenzone, auch verschiedentlich zu träge und deswegen als Regelgröße weniger geeignet.

Es wurde nun ein Verfahren zur Regelung von Trocknungsvorgängen gefunden, das von einfach zu messenden Grossen ausgeht, Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und zu günstigem Energieverbrauch je Kilogramm verdampftes Wasser führt.

Das neue Verfahren zur Regelung von Trocknungsvorgängen, bei denen ein wasserhaltiger, feinteiliger Feststoff mit einem erhitzten Gas im Gleichstrom in Kontakt gebracht wird, unter Verwendung der Gastemperatur als Regelgröße, ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur und spezifische Feuchte oder relative Feuchte des feststofffreien Trocknungsgases vor dessen Erhitzung, die Menge dieses Gases vor Eintritt in die Zone, in der das erhitzte Gas mit dem wasserhaltigen Feststoff in Kontakt gebracht wird, die spezifische Feuchte des wasserhaltigen Feststoffs und den Druck in der Trockenzone mißt, die gewünschte spezifische Feuchte

des getrockneten Feststoffs, die maximal zulässige Temperatur des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone, den Partialdruck des Wasserdampfes bei dieser Temperatur und die relative Feuchte des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone vorgibt, aus den gemessenen und vorgegebenen Werten folgende Größen berechnet: a da*³ Menge des getrockneten Feststoffs, b die Temperatur des erhitzten Trocknungsgases bei Eintritt in die Trockenzone und

-κ-ι-

c den je Kilogramm verdampftes Wasser benötigten Energieverbrauch,

die berechnete Größe a durch die Zufuhr des wasserhaltigen Feststoffs in die Trockenzone, die Größe b durch die Energiezufuhr zum Trocknungsgaserhitzer steuert und die Größe c durch Erniedrigung der vorgegebenen Temperatur des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone und/oder durch Erhöhung der vorgegebenen relativen Feuchte des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone auf ein Minimum einstellt.

Das neue Verfahren eignet sich hauptsächlich für Konvektionstrockner, d. h. für Trockner, die das zu trocknende Gut durch einen Gasstrom erhöhter Temperatur mit einem Wärmestrom versorgen. Die Konvektionstrocknung kann auch mit anderen Trocknungsarten kombiniert sein, beispielsweise Konvektions-Kontakt-Trockner oder Konvektions-Strahlungstrockner. Als Beispiele für typische Konvektionstrockner seien genannt sogenannte Fördergastrockner (auch "Stromtrockner" genannt), bei denen das Gemisch aus erwärmtem Gas und zu trocknendem Feststoff axial oder zentrifugal die Trockenzone durchströmt, .ferner Sprühtrockner oder gasdurchströmte Drehrohrtrockner, die beispielsweise mit Schaufeln ausgerüstet sein können, um einen besseren Kontakt des zu trocknenden Feststoffs mit dem Gasstrom zu bewirken. Für die Trocknung kann jedes Gas oder Gasgemisch verwendet werden, das unter den Trocknungsbedingungen nicht mit dem zu trocknenden Feststoff, der vom Feststoff abgedampften Flüssigkeit oder den Wänden der Trockenzone chemisch reagiert. Vorzugsweise wird als Trocknungsgas Stickstoff, Kohlendioxid oder Rauchgas, d. h. ein Gasgemisch, das im wesentlichen aus Stickstoff und Kohlendioxid besteht, und insbesondere Luft verwendet.

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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Drücken durchgeführt werden kann, die wesentlich unter oder wesentlich über dem normalen atmosphärischen Luftdruck liegen, wird vorzugsweise bei einem Druck gearbeitet, der in der Nähe des atmosphärischen Luftdrucks, das heißt bei etwa 900 bis 1200 mbar, liegt, da hierdurch die Apparatekosten vergleichsweise niedrig gehalten werden können. Das Trocknungsgas wird mit deutlich erhöhter Temperatur gegenüber dem zu trocknenden Feststoff mit letzterem in Kontakt gebracht. Es wird also vorzugsweise nach dem Prinzip der "Normaldruck-Übertemperatur-Trocknung" gearbeitet·

Das neue Verfahren ist prinzipiell für alle Trocknungsvorgänge geeignet, bei dem ein feinteiliger Feststoff von Flüssigkeiten befreit werden soll, die im Temperaturbereich von etwa 30 ⁰C bis etwa 200 ⁰C bei normalem Atmosphärendruck ausreichende Flüchtigkeit zeigen, beispielsweise bekannte organische Lösungsmittel, wie Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ether, Ester, Acetale oder Ketone. Nachfolgend wird dieses Verfahren für den am häufigsten vorkommenden technisch wichtigsten und bevorzugten Fall der Entfernung von Wasser aus einem feinteiligen Feststoff beschrieben.

Der Wassergehalt des Feststoffs kann in weiten Grenzen schwanken, d. h. je 100 Gew.-Teile trockener Feststoff können etwa 1000 bis etwa 0,1 Gew.-Teile Wasser vorhanden sein. Feststoffe mit hohem Wassergehalt, beispielsweise wäßrige Dispersionen dieser Feststoffe,werden zweckmäßig nach bekannten Verfahren, beispielsweise über Einstoff- oder Mehrstoffdüsen oder über Drehteller, versprüht. Vorzugsweise wird in Bereichen gearbeitet, bei denen 100 Gew.-Teile Feststoff 200 bis 5 Gew.-Teile Wasser enthalten.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sind Feststoffe geeignet, die im getrockneten Zustand eine mittlere Korngröße von etwa 1 μπ\ bis etwa 1000 μ,πι aufweisen.

Die zu trocknenden Feststoffe können chemisch einheitliche Körper sein oder Gemische. Sie sollten unter den gewählten Trocknungsbedingungen keine chemische Umwandlung erfahren, nicht schmelzen und nicht soweit erweichen, daß sie in größeren Agglomeraten zusammenbacken, sie sollten ferner nicht zu hart und scharfkantig sein, damit sie keine wesentliche Erosion an den Apparateteilen der Trockenzone verursachen. Die Feststoffe können künstlich durch chemische Umwandlung erzeugt worden sein, beispielsweise monomere metallorganische Verbindüngen für den Pflanzenschutz oder Polymerisate ethylenisch ungesättigter Monomerer, insbesondere solcher, die in wäßriger Emulsion oder Suspension polymerisiert wurden, wie Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid. Die zu trocknenden Feststoffe können auch von der Natur erzeugt und entsprechend zerkleinert und aufbereitet worden sein, wie zum Beispiel Stärkemehl.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß der wasserhaltige,feinteilige Feststoff und das erhitzte Trockengas im Gleichstrom miteinander in Kontakt gebracht werden, da die Einstellung eines Gleichgewichtes bezüglich des Wassergehaltes zwischen Feststoff und Gas für die Durchführung des Verfahrens wünschenswert ist.

Folgende Größen werden gemessen: Die Temperatur t~ des Trocknungsgases vor seiner Erhitzung in (⁰C); die spezifische Feuchte x_Q des Trocknungsgases in kg Wasser je kg Gas [kg/kg] oder die relative Feuchte des Trocknungsgases <f._Q vor seiner Erhitzung bei der Temperatur t„ in [%].. Die Messung der Gasfeuchte erfolgt nach bekannten Verfahren wie beispielsweise beschrieben bei Hengstenberg, Sturm, Winkler "Messen und Regeln in der chemischen Technik", 2. Auflage (1964) , Springer Verlag, Berlin, Seiten 637 bis 662. Siehe dort auch die Umrechnung der gemessenen relativen Feuchte in die spezifische Feuchte des Gases.

Ferner wird gemessen der im Trocknungssystem herrschende Druck ρ in (mbar). Bei offenen Systemen genügt die Messung des atmosphärischen Luftdrucks. Weiterhin die Menge des Trocknungsgases G_T„, mit der der Trockner beschickt

jüa

wird in [kg]. Die Messung kann beispielsweise erfolgen nach Hengstenberg, Sturm und Winkler (loc. cit.), Seiten 232 - 238; 253 - 254 und 295 - 322; zweckmäßig als Volumenmessung mit entsprechender Umrechnung in das Gesamtgewicht .

Alle bis jetzt beschriebenen Messungen können vorteilhaft kontinuierlich mit entsprechender Registrierung erfolgen. In den meisten Fällen genügt auch eine diskontinuierliche Messung in Zeitabständen von etwa 5 bis 60 Minuten.

Außerdem wird gemessen die spezifische Feuchte des zu trocknenden Produktes M in [kg/kg]. Meßverfahren hier-

für sind beispielsweise beschrieben bei Hengstenberg, Sturm und Winkler (loc. cit), Seiten 666 bis 677. Die kontinuierliche Messung ist im allgemeinen schwieriger, weshalb man hier zweckmäßig eine diskontinuierliche Messung etwa alle 15 bis 120 Minuten wählt. Der Zeit-

raum zwischen den einzelnen Messungen kann auch verlängert werden, wenn beispielsweise aus Produktionen in größerem Maßstab ein weitgehend konstant zusammengesetztes Produkt anfällt. Unter spezifischer Feuchte des zu trocknenden Produktes ist nur der Wassergehalt gemeint, der nicht chemisch gebunden ist.

Zur erfindungsgemäßen Regelung des Trocknungsvorganges werden zunächst folgende Werte vorgegeben: Die gewünschte spezifische Feuchte des getrockneten Produktes M_e in [kg/kg].

Die gewünschte Temperatur t des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone in [⁰C]. Man wählt zweckmäßig einen Wert, bei dem das zu trocknende Produkt praktisch

keine physikalische Veränderung seines Aggregatzustandes und keine chemische Veränderung erleidet, bei der andererseits jedoch der erwünschte Trocknungsgrad wahrscheinlich erzielt wird. Im allgemeinen wird man von Temperaturen t im Bereich von 30 bis 200 ⁰C ausgehen.

Aufgrund der gewählten Temperatur t ergibt sich aus Tabellen der Partialdruck des Wasserdampfes ρ bei dieser Temperatur in [mbar].

Die gewünschte, gegebenenfalls aufgrund der bereits festgesetzten Werte M und t^ nach der Sorptionsisotherme maximal zulässige, relative Feuchte ψ, des Trocknungsgases beim Verlassen der Trocknungszone in [%]. Falls das zu trocknende Produkt nicht hygroskopisch ist, wird hier zweckmäßig zunächst ein Wert im Bereich von etwa 60 bis 80 % gewählt. Sofern das zu trocknende Produkt hygroskopisch ist, wird zweckmäßig ein Wert gewählt, der etwa 70 bis 90 % des nach der gemessenen Sorptionsisotherme maximal zulässigen Wertes der relativen Feuchte beträgt. Die Sorptionsisotherme des zu trocknenden Produktes wird vorher bestimmt, beispielsweise nach Kneule "Das Trocknen", Verlag Sauerländer/ Aarau-Frankfurt, 3. Auflage (1975), Seiten 27 bis 44,

insbesondere Seiten 39 bis 44. Die Sorptionsisotherme braucht nur im Bereich der gewünschten spezifischen Endfeuchte des getrockneten Produktes gemessen zu werden, wobei die Temperatur, bei der die Messung erfolgt, bis zu 4 0 ⁰C von der Temperatur abweichen kann, die gewählt wurde für das Gas beim Verlassen der Trocknungszone (t ) .

ti

Nach den wie oben beschriebenen gemessenen beziehungsweise vorgegebenen Größen werden folgende Werte berechnet:

I. ·

Die Menge G_p des getrockneten Produktes in [kg] nach der Gleichung:

Gt, _⁼ VJ,. _ / »-& __ V f "1 / η-\

worin 0,622 eine dimensionslose Zahl ist.

Nach der berechneten Menge des getrockneten Produktes wird die Menge G_ des der T

ir el

duktes in [kg] einreguliert.

wird die Menge G_ des der Trockenzone zugeführten Pro-

ir el

II.

Die Temperatur t des erhitzten Trocknungsgases bei Ein-

ei

tritt in die Trockenzone in [⁰C] wird nach folgender Gleichung berechnet:

^te~²⁴⁸⁶*^x0 ^te'Pw*⁰'^{622 (2501 + 1} '⁹³ * V

^a 1 + 1,92-x_n (1,006 + 1,93 . X_n) (p-■?.· pj

worin 0,622 eine dimensionslose Zahl ist, 2486 eine Konstante der Dimension ⁰C, 1,92 eine dimensionslose

Zahl, 2501 eine Konstante mit der Dimension kJ/kg und 1/93 sowie 1,006 Konstanten mit der Dimension kJ/kg · ⁰C sind.

Die so errechnete Temperatur t wird über die Energiezufuhr (Heizdampf-bzw. Brennstoffzufuhr) zum Trocknungsgaserhitzer einreguliert.

III.

Der je Kilogramm verdampftes Wasser benötigte Energieverbrauch f in [kJ/kg] nach der Gleichung:

■G —

^(ta " ^tO⁾ <¹'^{006 + 1}'⁹³ '^xo^] P_te · P_w · 0/622 (III),

to " ^X0

P -^Vte * Pw

worin die Zahl 0,622 sowie die Konstanten 1,006 und 1,93 die oben näher beschriebene Bedeutung haben.

Der Energieverbrauchsfaktor f wird während des Trocknungsvorganges auf einen Minimalwert gebracht durch Verminderung der vorgegebenen Temperatur t und/oder Vergrößerung des vorgegebenen Wertes für ^lP_te· Hierbei werden ständig die zu dem jeweiligen Zeitpunkt gemessenen Werte für t_n; X_n bzw. V+.«; P und G_T berücksichtigt.

Zweckmäßig wird für die Berechnung der Werte G_n ; t

Pe a

und f eine übliche, programmierbare elektronische Recheneinheit verwendet, mit deren Ergebnissen die Zuführung des zu trocknenden Produktes in die Trockenzone und die Energiezuführung zur Erhitzung des Trocknungsgases gesteuert werden kann. Es empfiehlt sich ferner, neben den weiter oben beschriebenen Meßwerten die effektiven Werte für t_a und t zu messen und mit den errechneten bzw. vorbestimmten zu vergleichen.

Ebenso empfiehlt es sich, die berechneten Werte für Gp und für f ständig zu registrieren. Anhand des Temperaturenvergleiches und mittels der ständig registrierten Werte kann die ordnungsgemäße Funktion der Trocknungsanlage sehr gut überwacht werden. Betragen die Abweichungen zwischen dem Sollwert und dem effektiv gemessenen Wert mehr als 20 %, vorzugsweise mehr als 10 %, so ist die ordnungsgemäße Funktion der Messungen/ der Trockenzone, der Zufuhr des wasserhaltigen Feststoffs zur Trockenzone sowie die Energiezufuhr zur Erhitzung des Trocknungsgases zu überprüfen und gegebenenfalls erkannte Fehler zu beseitigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert besonders gute Ergebnisse, wenn die relative Feuchte des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone bei Trocknung nicht hygroskopischer Feststoffe auf 70 bis 90 % und bei der Trocknung von hygroskopischen Feststoffen auf 80 bis 100 % des maximal zulässigen Wertes eingestellt wird.

Das neue Verfahren ermöglicht es, mit Hilfe einfacher, zuverlässiger Messungen Trocknungsvorgänge so zu steuern, daß ein Minimum an Energie zur Verdampfung des Wassers benötigt wird. Wenn gleichzeitig die ordnungsgemäße Funktion des Trockners überwacht wird, können Wärmeverluste, entstanden zum Beispiel durch defekte Isolierungen oder defekte Gaserhitzer, frühzeitig erkannt werden. Das Verfahren ist auf breiten Gebieten der Technik anwendbar und kann zur Steuerung üblicher in den Anlagen bereits vorhandener Konvektionstrockner angewendet werden, wobei die erzielte Energieeinsparung die Investitionskosten für das neue Verfahren schnell kompensiert.

Nachfolgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:

Vergleichsversuch A und Beispiel 1

Es wird ein Stromtrockner (Fördergastrockner) verwendet, ähnlich dem von F. Kneule in "Das Trocknen", Verlag Sauerländer, Aarau-Frankfurt am Main (1975), auf Seite 355 beschriebenen. Das Trocknerabgas wird über einen Naßwäscher geleitet und im Kreislauf dem Trocknungsgaserhitzer wieder zugeführt.

Es soll feuchtes Triphenylzinnacetat getrocknet werden. Dieses Produkt ist nicht hygroskopisch. Die Vorentwässerung erfolgt über eine Zentrifuge, aus der das Produkt mit 20 % = 0,2 kg Wasser pro kg Produkt Restfeuchte in den Trockner gelangt. Die durchschnittliche Korngröße des Feststoffs beträgt 0,02 mm. Da das Produkt in Luft zu Staubexplosionen neigt, wird ein Kreisgasbetrieb mit Stickstoff als Trocknungsgas gewählt. Die Temperatur des erhitzten Trocknungsgases ist aus Sicherheitsgründen auf 96 ⁰C begrenzt.

Nach Verlassen des Stromtrockners wird das Produkt, wie bei Kneule beschrieben, in einem Zyklon abgeschieden. Das vom Feststoff befreite Abgas wird im Naßwäscher auf 30 ⁰C mit Wasser abgekühlt. Danach hat es eine relative Feuchte <j> „ von 100 % entsprechend einer spezifischen Feuchte x_Q von 0,027 kg/kg. Der Druck ρ im geschlossenen System wird zu 1030 mbar, die umlaufende Stickstoffmenge zu 1000 kg/h gemessen.

Vergleichsversuch A

Nach betriebsüblichem Verfahren gemäß Stand der Technik wird eine Temperatur t des Trocknungsgases beim Verlassen des Trockners von 60 °C eingestellt, womit erfahrungsgemäß alle Regelungenauigkeiten aufgefangen werden können. Die relative Feuchte des Trocknungsgases

beim Verlassen des Trockners «p. beträgt 33 %. Es werden 57 kg/h getrocknetes Produkt (G_p ) mit einer Restfeuchte von etwa 0,2 % erzeugt. Der Partialdruck des Wasserdampfes bei der Abgastemperatur (60 ⁰C) beträgt ρ = 199 mbar. Der je kg verdampftes Wasser benötigte Energieverbrauch f berechnet sich zu:

(96 - 30) (1,006 + 1,93 -0 , 0 2 7J 0,33 ■ 199 · 0,62
1030 - 0,33 · 199

^{£ =} 0,33 . 199 - 0,622 _nn97 = 4590. kJ/kg

JJ ^ (J ^/ j

Beispiel 1

Es wird das gleicheProdukt wie im Vergleichsversuch A in der gleichen Vorrichtung getrocknet. Das vom getrockneten Feststoff befreite Abgas wird wie im Vergleichsversuch A im Naßwäscher auf 30 ⁰C abgekühlt und im Kreislauf dem Gaserhitzer wieder zugeführt. Die Gasmenge G_T

wird gemessen zu 1000 kg/h Stickstoff, der Druck im Trocknersystem ρ beträgt 1030 mbar. Die Temperatur des Trocknungsgases vor der Erhitzung t_Q beträgt 30 ⁰C, die relative Feuchte des Trocknungsgases vor der Erhitzung ψ ₀ beträgt 100 % entsprechend einer spezifischen Feuchte des Trocknungsgases x_Q von 0,027 kg/kg.

Es wird vorgegeben die Temperatur t des Trocknungsgases beim Verlassen des Trockners zu 45 ⁰C, bei dieser Temperatur beträgt der Partialdruck des Wasserdampfes ρ 96 mbar. Es wird ferner vorgegeben die relative Feuchte des Trocknungsgases Φ, beim Verlassen des Trockners zu 73 %. Die Errechnung der mit diesen Vorgabewerten erzielbaren Menge an getrocknetem Produkt G_pe ergibt:

«.1000 - 0 , (J) (l^Jjl) . 74 kg/h Π030/96 - 0,73 / \ 0,2

Die Menge des erzielbaren getrockneten Produktes mit den Vorgabewerten ist also um etwa 30 % größer als beim üblichen Betrieb nach Stand der Technik. Jetzt muß überprüft werden, ob die Temperatur t des erhitzten Trocknungsgases bei Eintritt in den Trockner unterhalb des Sicherheits-Limits von 96 ⁰C bleibt. Dies geschieht nach folgender Rechengleichung:

. _ 45 - 2486 · 0,027 0,73-96- 0,622 (2501+1,93-45) ^a 1 + 1,92· 0,027 (1 , 006 + 1 , 93 · 0 , 027) (1 030-0 , 73 · 96)

Die Temperaturobergrenze von 96 ⁰C wird nicht erreicht. Es kann nun versucht werden, beispielsweise durch vorsichtige Anhebung des vorgegebenen Wertes Ψ. , zum Beispiel auf 76 %, die Trocknerleistung noch zu verbessern.

Der je Kilogramm verdampftes Wasser benötigte Engergieverbrauch beträgt bei vorgegebenem ψ, = 73 %:

(90-30) (1 ,006 + 1 ,93 · 0.,027)

^{f =} 0/73 > 96 - 0,622 _ _{0 027} = ³⁴⁴⁸ kJ/kg 1030 - 0,73 · 96

Gegenüber dem üblichen Betrieb nach Stand der Technik werden nach dem neuen Verfahren nur 75,9 % der Energie zur Wasserverdampfung benötigt, der Energiebedarf liegt also 24,1 % niedriger.

Bei einer vorgegebenen relativen Feuchte ψ. des Trocknungsgases beim Verlassen des Trockners von 76 % würde die berechnete Temperatur des erhitzten Trocknungsgases t bei Eintritt in den Trockner bei 94,9 ⁰C liegen und damit noch anwendbar sein. Die Menge des getrockneten Produktes G_ würde in diesem Falle 81,6 kg/h und der

je Kilogramm verdampftes Wasser benötigte Energieverbrauch f würde nur 3109 kJ/kg betragen. Gegenüber dem betriebsüblichen Verfahren gemäß Stand der Technik wäre das ein um 31 ,6 % niedrigerer Energieverbrauch. 5

Vergleichsversuch B und Beispiel 2

Ein durch Emulsionspolymerisation von Vinylchlorid erzeugter Latex wird getrocknet. Dieser Latex enthält 50 Gew.-% Wasser und 50 Gew.-% feinteiligen Feststoff, er hat also eine spezifische Feuchte M von 0,5 kg/kg.

Zur Trocknung wird ein Sprühtrockner (Zerstäubungstrockner) verwendet, wie beispielsweise von F. Kneule in "Das Trocknen" (loc. cit.), Seite 406, unten,beschrieben. Es wird mit Luft als Trockengas gearbeitet, die in einem üblichen Wärmetauscher mit Wasserdampf erhitzt wird. Die den Trockner verlassende Luft wird nach Abscheidung des Feststoffs in die Atmosphäre entlassen. Durch das Versprühen entstehen Feststoffpartikel von durchschnittlich 0,15 mm Durchmesser, deren Feuchte nach der Trocknung 0,1 Gew.-% betragen soll (M = 0,001 kg/kg). Der getrocknete Feststoff ist hygroskopisch. Zunächst werden Sorptionsisothermen bestimmt, wie im vorangegangenen Text beschrieben. Die Temperatur des Trocknungsgases beim Verlassen des Trockners t wird mit 55 ⁰C vorgegeben. Bei dieser Temperatur entspricht nach der Sorptionsisotherme ein Feststoff mit einer spezifischen Feuchte von 0,001 kg/kg einer relativen Feuchte des Trocknungsgases beim Verlassen des Trockner ψ von 31 %, Das System wird offen gefahren, der Systemdruck entspricht dem atmosphärischen Luftdruck und wird zu 995 mbar gemessen.

Vergleichsversuch B

Betriebsüblich nach Stand der Technik, wird mit einer

Luftmenge G,. von 3780 kg/h gefahren. Diese Luft wird La

auf 116 ⁰C erhitzt in den Sprühtrockner eingeleitet.

Die Temperatur der Trocknungsluft beim Verlassen des Trockners beträgt t 55 ⁰C. Unter diesen Bedingungen

ti

können je Stunde 89,1 kg trockenes Produkt erzeugt werden, unabhängig von den herrschenden Witterungsbedingungen. Der Trockner wird mit konstant 178 kg/h Latex beschickt, es werden 88,9 kg/h Wasser verdampft. Die zur Erhitzung der Luft verbrauchte Dampfmenge wird gemessen zu 150 kg/h Sattdampf von 5 bar Druck. Aus dieser Dampfmenge und der Menge des in der Zeiteinheit verdampften Wassers folgt ein Energieverbrauch von:

f = 4797 kJ/kg.

■ Beispiel 2
Es wird das gleiche Produkt wie im Vergleichsversuch B in der gleichen Vorrichtung getrocknet. Das vom getrockneten Feststoff befreite Abgas wird in die Atmosphäre entlassen. Zur Trocknung wird atmosphärische Luft verwendet, die eine Temperatur t_Q von 15 ⁰C und eine relative Feuchte f.« von 40 % entsprechend einer spezifisehen Feuchte X_n von 0,004 2 kg/kg aufweist. Die verwendete Luftmenge G_T_ ist die gleiche wie im Vergleichs-

Ij a

versuch B: 3780 kg/h. Der Trockner wird offen gefahren, der Luftdruck in der Trockenzone beträgt wie beim Vergleichsversuch B: ρ = 995 mbar. Bei der vorgegebenen Temperatur des Trocknungsgases beim Verlassen des Trockners t_ von 55 ⁰C beträgt der Sättigungsdampfdruck des Wassers ρ =157 mbar. Mit den gemessenen und den vorgegebenen Werten wird zunächst die erzielbare Menge an getrocknetem Produkt G_p errechnet:

G_pe = 3780

0,31 . 0,622 _{ft ηηΛ}Λ 1 - 0,5

- 0,00421

995/157 - 0,31 0,5

= 105 kg/h

Diese Menge ist um 18 % höher als beim üblichen Betrieb nach dem Stand der Technik- Aufgrung der berechneten Menge an getrocknetem Produkt wird der Trockner mit 210 kg/h Latex beschickt.

Die Temperatur des erhitzten Trockengases vor Eintritt in die Trockenzone t wird aus

el

gegebenen Werten berechnet zu:

in die Trockenzone t wird aus den gemessenen und vor-

t - 55 - 0,0042 · 2488 ₊ 0,31-157-0,622(2501+1,93 . 55) _=<|26 ^a 1+0,0042-1,92 (1,006+0,0042 · 1,93) (995-0,31-157)

Die Dampfzufuhr zum Lufterhitzer wird so gesteuert, daß die erwärmte Luft diese Temperatur aufweist.

Der je Kilogramm verdampftes Wasser benötigte Energieverbrauch beträgt bei vorgegebenem ¹P, =31 %: 20

(126,5 - 15) (1,006 + 1,93 · 0,0042)

^f = 0,31 - 157 - 0,622 _ _0f0042 = 4069 kJ/kg 995 - 0,31 -157

Er ist damit um 18 % niedriger als beim Betrieb gemäß Stand der Technik.

Während der erfindungsgemäßen Trocknung nach Beispiel 2 ändert sich die Wetterlage und damit die Feuchte der Luft ψ _ vor der Erwärmung auf 80 % entsprechend einer spezifischen Feuchte x_Q von 0,0085 kg/kg. Nach dem oben beschriebenen Schema berechnet ergibt sich eine erzielbare Menge an getrocknetem Produkt G_p von 89 kg/h.

Analog wird die Temperatur t der erhitzten Luft bei Eintritt in den Trockner zu 115 ⁰C berechnet. Der je kg verdampftes Wasser benötigte Energieverbrauch beträgt bei vorgegebenem ⁰P. = 31 %, berechnet 4 352 kJ/kg. Er liegt damit immer noch, trotz der ungünstigeren Betriebsbedingungen um 10 % unter dem Wert,der nach Vergleichsversuch B gemäß dem Stand der Technik ermittelt wird.

Nach Beispiel 2 wird der Trockner mehrere Tage betrieben und dabei ständig die je Kilogramm verdampftes Wasser benötigte Energiemenge f und die erzeugte Menge getrockneten Gutes Gp registriert. Während des Betriebes wird absichtlich eine Störung dadurch herbeigeführt, daß ein Flansch undicht gemacht wird. Kurze Zeit danach wird ein plötzliches Ansteigen des Energieverbrauches f festgestellt.

Claims (6)

1. HOE 82/F 903

   Patentansprüche

   Verfahren zur Regelung von Trocknungsvorgängen, bei denen ein wasserhaltiger, feinteiliger Feststoff mit einem erhitzten Gas im Gleichstrom in Kontakt gebracht wird, unter Verwendung der Gastemperatur als Regelgröße, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur und spezifische Feuchte oder relative Feuchte des feststofffreien Trocknungsgases vor dessen Erhitzung, die Menge dieses Gases vor Eintritt in die Zone, in der das erhitzte Gas mit dem wasserhaltigen Feststoff in Kontakt gebracht wird, die spezifische Feuchte des wasserhaltigen Feststoffs und den Druck in der Trockenzone mißt, die gewünschte spezifische Feuchte des getrockneten Feststoffs, die maximal zulässige Temperatur des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone, den Partialdruck des Wasserdampfes bei dieser Temperatur und die relative Feuchte des Trocknungsgases beim Verlassen der Trocknungszone vorgibt, aus den gemessenen und vorgegebenen Werten folgende Größen berechnet:

   a die Menge des getrockneten Feststoffs, b die Temperatur des erhitzten Trocknungsgases bei Eintritt in die Trockenzone und

   c den je Kilogramm verdampftes Wasser benötigten Energieverbrauch,

   die berechnete Größe a durch die Zufuhr des wasserhaltigen Feststoffs in die Trockenzone, die Größe b durch die Energiezufuhr zum Trocknungsgaserhitzer steuert und die Größe c durch Erniedrigung der vorgegebenen Temperatur des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone und/oder durch Erhöhung der vorgegebenen relativen Feuchte des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone auf eine Minimum einstellt.

   HOE 82/F 903
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Trocknung nichthygroskopischer Feststoffe die relative Feuchte des Trocknungsgases beim Verlassen der Trocknungszone auf 70 bis 90 % eingestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Trocknung hygroskopischer Feststoffe die relative Feuchte des Trocknungsgases beim Verlassen der Trockenzone auf 80 bis 100 % des nach der Sorptionsisotherme maximal zulässigen Wertes eingestellt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein wasserhaltiger feinteiliger Feststoff eingesetzt wird, der auf 100 Gew.-Teile trockenen Feststoff 200 bis 5 Gew.-Teile Wasser enthält.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den in Anspruch 1 beschriebenen gemessenen Werten die effektiven Werte für die Temperatur des Trocknungsgases vor Eintritt in die Trockenzone und nach Verlassen der Trockenzone gemessen und mit den analogen errechneten beziehungsweise vorbestimmten Werten verglichen werden, wobei, wenn Abweichungen von mehr als 10 % festgestellt werden, die ordnungsgemäße Funktion der Messungen, der Trockenzone sowie der Zufuhr des wasserhaltigen Feststoffs zur Trockenzohe und der Energiezufuhr zur Erhitzung des Trocknungsgases überprüft und gegebenenfalls erkannte Fehler beseitigt werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Menge des getrockneten Fest-Stoffs und der berechnete je Kilogramm verdampftes

   Wasser benötigte Energieverbrauch ständig registriert werden und bei plötzlichen Änderungen von 10 % und mehr die ordnungsgemäße Funktion der Messungen, der Trockenzone sowie des wasserhaltigen Feststoffs zur Trockenzone und die Energiezufuhr zur Erhitzung des Trocknungsgases überprüft und gegebenenfalls erkannte Mängel beseitigt werden.