Schnelle Mikrowellentrocknung für High-Tech-Anwendungen

Ohne Abrieb trocknen

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Die thermische Trocknung ist in allen Bereichen der Technik ein wichtiger Verfahrensschritt. Neben den bekannten Trocknungsmethoden wird immer häufiger die Trocknung durch Mikrowellenenergie eingesetzt. Sie eignet sich für schnelle Trocknungsprozesse im kontinuierlichen Betrieb.

Peter-A. Püschner

Bei der Trocknung mit Mikrowellenenergie wird die Wärme im Feuchtegut selbst erzeugt. Die elektromagnetische Energie der Strahlung wird direkt in kinetische Schwingungsenergie der Moleküle umgewandelt. Bei vollkommener Absorption beträgt die in Wärme umgesetzte MW-Energie
Die Eindringtiefe der Mikrowellenstrahlung berechnet sich mit
Im Vergleich zu konventionellen Trocknungsverfahren besitzt die Mikrowellenstrahlung (MW) eine wesentlich größere Eindringtiefe. Dadurch entsteht ein zur Oberfläche hin gerichteter Temperaturgradient. Im Inneren des Trocknungsgutes herrscht deshalb eine höhere Temperatur als an der Oberfläche. Der damit verbundene höhere Partialdruck im Inneren transportiert die zu verdampfende Flüssigkeit durch die Porenstruktur des makrokapillaren Festkörpers zur Oberfläche. Dies verhindert ein Austrocknen der Oberflächenschicht – sie bleibt durchlässig. Die Folge ist eine hohe Trocknungsgeschwindigkeit.
Durch die Mikrowelleneinstrahlung erfolgt ein selektives Erhitzen von Wasser und den meisten Lösemitteln. Grund dafür sind die höheren dielektrischen Verluste von Wasser, verglichen mit denen des zu trocknenden Produktes. Ein weiterer Vorteil ist die schnelle Endtrocknung von feuchten Produkten mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Durch die ruhende Trocknung, auch bei dicken Schichten, entstehen kaum Abriebverluste.
Der Gesamtübertragungsgrad und die Regelgeschwindigkeit der Energieübertragung ist hoch. Die kurzen Prozeßzeiten machen die Mikrowellentrocknung vor allem für automatisierte Fertigungsabläufe interessant.
Die MW-Trocknung ist stets mit einem vorgewärmten Luftstrom gekoppelt. Dieser führt den austretenden Wasser- oder Lösemitteldampf ab und temperiert den Trocknungskanal einschließlich der angeschlossenen Luftführung. Dadurch werden Rekondensationen verhindert.
Der Vergleich für die zeitliche Abnahme der Produktfeuchte zwischen Konvektions- und MW-Trocknung ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Mikrowellen-Trocknungsverfahren kann aufgrund der wesentlich kürzeren Trocknungszeit zur Automatisierung von Herstellungsprozessen beitragen, die mit konventionellen Trocknungstechniken bisher nicht realisiert werden konnten. Aus den extrem unterschiedlichen Trocknungsaufgaben ergeben sich zahlreiche Verfahrensvarianten und unterschiedliche Trocknerbauformen. Trocknungsverlauf und -geschwindigkeit können nur experimentell mit geeigneten Versuchssystemen geprüft und ausgeführt werden, da die bekannten Berech-nungsgrundlagen nur eine begrenzte Zahl von Parametern erfassen. Zwei Beispiele verdeutlichen im folgenden die Anwendungsbreite der Mikrowellentrocknung.
Banddurchlauftrockner für Granulate
Mikrowellen-Durchlauftrockner für Schütt- und Stückgüter werden in der Regel aus mehreren hintereinander geschalteten Kammermodulen aufgebaut (Abb. 2). Verlauf und Dauer des Prozesses sind von den Trocknungsbedingungen, dem Profil der Energie- bzw. Temperaturverteilung, der Feuchtekonzentration sowie von der Feuchtebewegung im Produkt abhängig. Hinzu kommen weitere Produkteigenschaften wie Feuchtebindung, Form und Abmessungen sowie die temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften für die Mikrowellenerwärmung.
Zunächst gilt es, ein Mikrowellensystem im Versuchsstadium zu entwickeln, das alle Eigenschaften des Gesamtsystems berücksichtigt. Dadurch lassen sich vorab verschiedene Module einer Gesamtanlage simulieren, was im späteren Betrieb optimale Trocknungsergebnisse ermöglicht.
Einen aus mehreren Modulen aufgebauten 100-kW-Bandtrockner für Granulat mit einer Förderbreite von 1 m zeigt Abbildung 3.
Sind hohe Trocknerleistungen zu installieren, für die die Eindringtiefe der Mikrowellenanlagentechnik bei 2450 MHz nicht ausreicht, bieten sich Mikrowellentrockner mit einer längeren Wellenlänge an. So haben MW-Trockner mit einer Frequenz von 915 MHz eine rund dreimal höhere Eindringtiefe. Außerdem liefern sie Röhrenleistungen bis etwa 60 kW pro Modul.
Mikrowellenvakuumtrockner
Mikrowellenvakuumtrockner eignen sich zur schonenden Trocknung thermisch sensibler Produkte (Abb. 4). Mit ihnen lassen sich unter anderem feste Körper wie z. B. Dialysatoren, die aus einer Kunststoffhülse mit innenliegendem Faserbündel bestehen, im Durchlauf trocknen. Die Restfeuchte sowie Lösemittelrückstände aus einem vorhergehenden Prozeß müssen bei dieser Anwendung bei Temperaturen unterhalb 65 °C aus den Endbereichen entfernt werden. Gleichzeitig ist eine Erwärmung des Mittelteils möglichst zu vermeiden.
Der als Durchlaufanlage ausgelegte Mikrowellenvakuumtrockner ist für die Einbindung in ein Transfersystem ausgelegt, im vorliegenden Fall für das Bosch-System TS2. Als Werkzeugträger dienen Kunststoffplatten mit einer Grundfläche von 250 bis 330 mm2. Auf ihnen ist das Trocknungsgut abgelegt. Die Träger werden vor dem Einlauf in den Vakuumtunnel zu einer geschlossene Gruppe aufgestaut und anschließend in den Tunnel transportiert. Ein in optimaler Position strahlendes MW-Energiefeld trocknet bei einem Druck zwischen 2 bis 20 mbar. Je nach zu verdampfender Wassermenge liegt die Trocknungszeit zwischen 1 bis 5 min. Während des Auslaufs der getrockneten Produkte läuft bereits die nächste Gruppe in den Trockner ein. Zwei parallel angeordnete MW-Vakuumtrockner arbeiten wechselseitig im Taktbetrieb und gewährleisten einen kontinuierlichen Prozeßablauf. Der Vakuumpumpenstand ist in ein schalldichtes Gehäuse eingebaut. Er benötigt für die Evakuierung des Kessels etwa 50 s. Nach der Trocknung wird der Kessel innerhalb von 20 s belüftet. Um Kondensationen an der Kesselinnenwand zu verhindern, wird eine Elektrowandheizung eingesetzt, die nach außen hin thermisch isoliert ist.
Die Stromversorgungen der MW-Generatoren und die elektrische Steuerung der Anlage sind getrennt vom MW-Vakuumtrockner in nebeneinander stehenden Schaltschränken untergebracht. Ebenfalls getrennt ist der Vakuum-Pumpenstand. Alle übrigen zum MW-Trockner gehörenden Systeme sind gemeinsam in ein geschlossenes Schrankgehäuse aus nichtrostendem Stahl eingebaut, das von beiden Seiten zugänglich ist.
Der Trocknungsprozeßablauf wird von einer speicherprogrammierten Steuerung Simatic S5-115U gesteuert, die in den vollständig automatisierten Ablauf des Fertigungsprozesses eingebunden ist.
Mit dem MW-Vakuumtrockner konnte z. B. in der Dialysatorenherstellung der bis dahin nicht unerhebliche Ausschuß im 24 h/6 d-Betrieb sehr stark reduziert werden. Weitere
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