So trocken wie frisch gewickelt

Sicher Entfeuchten in der chemischen Industrie

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09.06.2016 Bei der Verarbeitung von Schüttgütern müssen Betreiber darauf achten, die Feuchtigkeit möglichst gering zu halten. Denn sonst drohen Probleme bei der Verarbeitung. Mit einer modularen Lösung können Anwender die für sich passende Entfeuchtungslösung zusammenstellen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bei der Verarbeitung von Schüttgütern müssen Betreiber darauf achten, die Feuchtigkeit möglichst gering zu halten. Denn sonst drohen Probleme bei der Verarbeitung.
  • Wie oft gilt: Es führen viele Wege nach Rom. Betreiber sollten also prüfen, welche Technologie in ihrem Fall die optimale Lösung darstellt.
  • Der Anlagenbauer aus dem Artikel hat ein modulares System entwickelt, mit dem Anwender die für sich passende Lösung zusammenstellen können, beispielsweise mit verschiedenen Filterelementen.

Wie weit würden Sie gehen, um Feuchtigkeit in der Produktion zu vermeiden? In 4.053 m Höhe auf einem antarktischen Plateau namens „Ridge A“ liegt einer der nicht nur stillsten und kältesten, sondern auch einer der trockensten Fleckchen auf unserer Erde. Aber es gibt noch weitere „natürliche“ trockene Orte auf unserer Erdoberfläche, wie etwa in Piado/Chile, wo es zum ersten Mal nach einer längeren Unterbrechung von 91 Jahren im Jahre 1936 wieder regnete. Bei der Herstellung und Verarbeitung von Produkten in der Chemiebranche muss keine derartige Trockenheit herrschen, aber dennoch ist bei bestimmten Prozessen eine geringe Feuchte der Prozessluft von großem Vorteil und daher unabdingbar für das Lagern, Verarbeiten und Verpacken von chemischen Produkten. Die angestrebte Trockenheit der notwendigen Prozessluft beim Bearbeiten und Herstellen chemischer Fabrikate hängt dabei stark vom jeweiligen Gesamtprozessverfahren der zu trocknenden Güter ab. Sowohl die Luft im Produktionsprozess als auch die Lagerraum-Prozessluft beeinflussen beispielsweise stark das Schüttverhalten und somit das Handling hygroskopischer Erzeugnisse. Wichtig ist auch, dass sich am pulverförmigen Produkt kein Kondensat bildet, beispielsweise um chemische Pulverlacke oder 2K-Lacke in sich stabil zu halten. Eine reduzierte Luftfeuchtigkeit im Herstellungs- und Trocknungsprozess sowie bei der Lagerung oder der pneumatischen Förderung hilft daher, Produkte im chemischen Bereich optimal unter präzisen Umgebungsbedingungen möglichst trocken verarbeiten zu können und über einen bestimmten Zeitraum „trocken“ einzulagern.

Schüttgüter und die erforderliche Trockenheit
Beim Herstellen und Lagern chemischer Schüttgüter in Form von feinkörnigen Pulvern oder bei der Produktion chemischer Zusatzstoffe wie Additiven sind eine konstante Temperatur und ein niedriger Feuchtegehalt in der Prozessluft erforderlich, da es ansonsten zu Verklumpungen beziehungsweise ungewollten Agglomerationen der zum Teil sehr hochwertigen Fabrikate kommen kann. Wasserunlösliche Polymere, die ein Vielfaches ihres Eigengewichts an polaren Flüssigkeiten aufsaugen, werden auch chemische Kunststoffe genannt. Ein Beispiel hierfür ist der Superabsorber, der in der Lage ist, vor allem Wasser beziehungsweise wässrige Lösungen an sich zu binden. Bei der Aufnahme der Flüssigkeit quillt der Superabsorber auf und bildet ein Hydrogel. Die Summe aus dem Volumen der Flüssigkeit und dem Volumen des trockenen Superabsorbers bleibt dabei gleich. Zum Einsatz kommt das Schüttgut als grobkörniges Pulver mit Partikelgrößen zwischen 100 und 1.000 µm beispielsweise in Babywindeln, Verbandsmaterialien, Kabelummantelung bei Tiefseeleitungen oder auch in der Damenhygiene. Ein Kapillareffekt, der durch zerklüftete und poröse Kanalstruktur eines Superabsorber-Partikels entsteht, zieht Flüssigkeiten in Richtung des Partikelkernes förmlich an und lagert diese an den Grenzflächen an und ebenso ein. Beim Kontakt zwischen Superabsorber und Flüssigkeiten wird eine große Oberfläche der Partikel benetzt und die Flüssigkeit an und in dem Polymer gebunden. Ein einzelnes Partikel kann unter anderem Wasser in Größenordnungen um das mehrere Hundertfache des Superabsorber-Eigengewichtes in sich aufnehmen.

Trockenheit von Beginn an
Zumeist kommen beim Herstellen von Polymeren und ebenso zum Transport pneumatische Fördersysteme zum Einsatz. Die pneumatischen Fördersysteme können Anwender entweder saugseitig oder druckseitig betreiben, um das Produkt schonend pneumatisch fördern zu können. Wichtig ist hierbei eine sehr niedrige relative Feuchtigkeit während des Transports in den Förderleitungen, damit das Polymer nicht durch ungewollt eintretende Feuchtigkeit während des Herstellungsprozesses mit Wassermolekülen aus der aufbereiteten Prozessluft in Kontakt kommt. Um die unerwünschte Absorption von Wasser zu vermeiden, sollten Betreiber eine Anlage zum Trocknen/Entfeuchten der Prozess- beziehungsweise Umgebungsluft einsetzen. Idealerweise sollte diese im Prozess vor dem Kompressor, der die Förderdruckluft aufbereitet, integriert sein, damit die angesaugte Luft aus der Atmosphäre schon bei Eintritt in den Kompressor einen absolut trockenen Zustand hat und somit einen sehr geringen Taupunkt (Tp) besitzt.

Sorptive Prozesse zur Lufttrocknung
Um trockene Prozessluft zu erzeugen, reichen in den meisten Fällen konventionelle Methoden wie die Kondensation des Wasserdampfes an Kühlregistern beziehungsweise Wärmeübertragern nicht mehr aus. Um den Restfeuchtegehalt der Luft auf ein Minimum zu reduzieren, sind somit sorptive Prozesse notwendig. Wenn bei Produktionsverfahren, Verpackungs- und Lagerungsprozessen chemischer Erzeugnisse relative Feuchten
(r. F.) von weniger als 40 % gefordert werden, wird es in verfahrenstechnischer und thermodynamischer Hinsicht interessant. In diesen Bereichen der Prozesslufttrocknung besteht derzeit eine sehr übersichtliche Auswahl an Anlagen, die in der Lage sind, solch niedrige Restfeuchtegehalte für Trocknungsprozesse in der Fertigung zu erreichen. Als besonders wirkungsvoll hat sich hier der Einsatz von Rotationsentfeuchtern erwiesen. Dabei wird der feuchte Luftstrom durch ein langsam rotierendes, mit Adsorptionsmittel beschichtetes Sorptionsrad geleitet und somit getrocknet. Auf der Gegenseite regeneriert das System das Rad. Dies ermöglicht ein kontinuierliches Aufbereiten der zu trocknenden Luft oder auch von Prozessgasen. Mittels Desorption werden zudem die Wassermoleküle in der angesaugten Luft gleichzeitig kontinuierlich durch Wärme aus dem Adsorptionsmittel herausgetrieben und folglich als Adsorbat in einem separaten Luftstrom aus der Anlage in die Außen-Atmosphäre geführt. Durch Erweiterung der Anlagentechnik, beispielsweise mit Vor- und Nachkühlermodulen, können Betreiber Taupunkte (Tp) bis
-65 °C und somit eine relative Prozessluftfeuchte von 0,05 % erreichen. Meist benötigen Hersteller diese niedrigen Taupunktanforderungen bei sensiblen Produkten − etwa zum Trocknen extrem empfindlicher Polymere oder anderer pulverförmiger Produkte in der chemischen Industrie −, um eine gleichbleibende und hochwertige Produktqualität erreichen zu können.

Adsorption von Wasserdampf
Die Luft ist ein Gemisch verschiedener Gase; eines davon ist Wasserdampf. Die Menge an Wasserdampf, die in der Luft enthalten sein kann, ist allerdings begrenzt. Je wärmer die Luft ist, desto höher der Anteil des Wasserdampfes. Die relative Luftfeuchtigkeit gibt dabei den Prozentsatz des maximalen Wasserdampf-Gehaltes der Prozessluft an. Da der maximale Wasserdampf-Gehalt mit der Temperatur ansteigt, fällt die relative Luftfeuchtigkeit mit steigender Temperatur und umgekehrt. Die Taupunkttemperatur ist die Temperatur, bei der die Luft mit einem maximalen Wasserdampf-Gehalt in der Prozessluft − 100 % relative Luftfeuchtigkeit – gesättigt ist. Sie ist die Temperatur, die bei konstantem Druck unterschritten werden muss, um Wasserdampf zu kondensieren. Die Taupunkt-Temperatur ist somit eine von der aktuellen Temperatur unabhängige Größe. Aus Temperatur und relativer Luftfeuchte beziehungsweise Taupunkt-Temperatur lässt sich auch der absolute Feuchtegehalt der Luft in Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter ausrechnen. Als technische Adsorptionsmittel dienen hier hochaktive hygroskopische, das heißt physikalisch wasserbindende, technische Adsorptionsmittel, beispielsweise Kieselgel (Silikagel, SiO2), Zeolithe sowie technische Molekularsiebe. Es gibt aber auch noch andere, weniger gängige Trocknungsmittel, die je nach Gegebenheit und Eigenschaften des zu trocknenden Gases ihre Anwendung in anderen Bereichen finden: Calciumsulfat, Kaliumcarbonat und Aluminiumoxid. Diese sind allerdings relativ schwer wieder zu regenerieren. Da Silikagel in Bezug auf die Entzugsleistung der Wassermoleküle aus der Prozessluft und auf die Regenerierbarkeit mit Wärme (Desorption) durchaus gute physikalische und chemische reversible Eigenschaften besitzt, gilt diese Variante als effektiv und zielführend und kommt in verschiedenen Industriesegmenten zum Einsatz.

Trocknen und Filtern der Prozessluft
Eine seit Kurzem verfügbare Lösung für extrem trockene Prozessluft stellt das System ULT Dry-Tec von ULT dar. Das modulare Systemkonzept ermöglicht das Erreichen von Taupunkttemperaturen bis -65 °C (Tp). Zur Produktmodulserie gehören folgende Bestandteile: Das Sorptionsmodul ULT Dry-Tec, das für Adsorption und Desorption innerhalb des Systems zum Einsatz kommt, sowie das Vorkühlermodul ULT Cool-Tec V und das Nachkühlermodul ULT Cool-Tec N. Die Vor- und Nachkühlermodule kann der Hersteller optional mit unterschiedlichen Filterelementen entsprechender Filterklassen (G, M, F oder H entsprechend DIN EN 779:2012 und DIN EN 1822:2011) ausrüsten. Damit erreicht der komplette Trocknungsprozess die geforderte niedrige relative Feuchte (r. F.), und auch der Prozessluftstrom am Ein- oder Austritt der Modulanlage bleibt so nahezu partikelfrei. Mittels eines optimierten Luftführungskonzeptes durch das Innere der Trocknungsmodule ist ein effizienter Betrieb mit äußerst geringen internen Druckverlusten möglich. Weitere Bestandteile des modularen Entfeuchtungskonzepts der Lösungsanbieters sind regelbare Ventilatoren für den Prozessluftstrom und den Regenerationsluftstrom. Zur Verfügung steht außerdem ein integriertes energieeffizientes Wärmerückgewinnungs-System für einen energetisch optimierten Desorptionsprozessablauf.

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Heftausgabe: Juni 2016

Über den Autor

Frank Schimmelmann, Division-Manager Prozesslufttrocknung bei ULT
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