1.  Sprühtrocknungsprozess

Der Sprühtrockner gehört zur Klasse der konvektiven Trockner, bei denen die Energie zur Verdampfung des Lösemittels (meist Wasser) durch Wärmeleitung aus dem Trocknungsgas auf das zu trocknende Gut übertragen wird. Die Trocknung erfolgt durch innige Vermischung  der versprühten Flüssigkeit mit einem Trocknungsgas, dessen geringe relative Feuchte die flüchtige Phase des Flüssigkeitsnebels verdunsten oder verdampfen lässt. Als Trocknungsgas kommen ausser Luft auch Inertgase oder zur Verfügung stehende Abgase in Frage. Eine Sonderform stellt der Dampfsprühtrockner dar, bei dem der Energieträger verdampftes Lösemittel ist. Der Sprühtrockner ist ein Kurzzeittrockner. Die Trocknung läuft im Sekundenmaßstab ab.

2. Zerstäubung

Zur Beschleunigung der Trocknung wird die Flüssigkeit durch ein Zerstäubungsaggregat in sehr kleine Tröpfchen zerteilt.

Beispiel:
Aus einer Kugel von 1 kg Flüssigkeit mit einer Oberfläche von 4,8 x 10^-2 m²  bei einer Dichte von 1000 kg/m³   entstehen durch die Zerstäubung etwa 2,4 x 10¹¹ kleinste Kügelchen mit einem Durchmesser von 20 Mikrometer und einer Gesamtoberfläche von 300 m²!
Durch diese enorme Vergrösserung der spezifischen Flüssigkeitsoberfläche, die gleichzeitig die Wärmeaustauschfläche darstellt, läuft die Trocknung selbst bei kleinen Temperaturdifferenzen in Sekunden ab.  Dies ist auch notwendig, da das zu trocknende Gut beim Auftreffen auf die Wand des Trockners nicht kleben bleiben darf.
 

Die Tropfengröße hängt von folgenden Parametern ab:

• den Flüssigkeitseigenschaften Viskosität,  Oberflächenspannung und Dichte,
• dem gewählten Zerstäubungsaggregat und seinen Parametern

Bei der Viskosität  ist auch noch das dynamische Viskositätsverhalten entscheidend, da die Flüssigkeiten in den Zerstäubungsaggregaten stark geschert werden:

• lineare Newtonsche Flüssigkeit (die meisten Lösungen gehören in diese Gruppe)
• strukturviskose Flüssigkeiten, unter Scherung viskositätserhöhend (Beispiel Stärkesuspension)
• unter Scherung viskositätserniedrigende Flüssigkeit (Beispiel Keramiksuspension mit Verflüssiger)

Es gibt  folgende Zerstäubungsaggregate:

Einstoffdüse, Hohlkegeldüse, Druckdüse
Zweistoffdüse außenmischend, pneumatische Düse
Zweistoffdüse innenmischend
Zerstäuberscheibe
Ultraschallzerstäuber
 

2.1 Einstoffdüse, Hohlkegeldüse, Druckdüse

Die Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt bei diesem Düsentyp durch Aufprägung einer Drallströmung und Beschleunigung auf hohe Austrittsgeschwindigkeit. Deshalb benötigen diese Düsen einen hohen Flüssigkeitsvordruck von ca. 5 bis über 200 bar. Die Drallströmung erzeugt am Düsenaustritt einen hohlkegelförmigen Flüssigkeitskonus, der in gleichmässige Tröpfchen mit einer engen Verteilung zerfällt.

Vorteile:

• Tropfengröße 50 bis 400 Mikrometer (staubfreie Endprodukte im Sprühtrockner)
• geringer Energiebedarf für Zerstäubung
• enge Tropfenverteilung schon bei Drucken ab 10 bar
• preiswerte Düsenkonstruktion
• keine bewegten Teile
• Steuerung der Tropfengröße über Sprühdruck und/oder Anzahl der Sprühdüsen
• keine bewegten Teile (.-> Explosionsschutz)

Nachteile

• verstopfungsanfällig
• Abrasion am Düsenaustritt

2.2  Zweistoffdüse außenmischend, Pneumatische Düse

Die Zerstäubung erfolgt ausserhalb der Düse durch ein expandierendes Gas. Die Flüssigkeit wird drucklos oder bei leichtem Unterdruck wegen des Wasserstrahlpumpeneffekts der Düse zugeführt. Die Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit liegt in der Größenordnung von 1 m/sec.  Das Zerstäubungsgas dagegen kommt am Austritt auf die lokale Schallgeschwindigkeit. Es wird mit einem Druck von 1,5 bis 5 bar zugeführt.  Auf der Flüssigkeitsseite weist dieser Düsentyp einen Durchmesser je nach Durchsatz von 1 bis 10 mm auf und ist deshalb verstopfungsunempfindlich.

Vorteile:

• abrasionsfrei
• verstopfungsunempfindlich
• Flüssigkeiten mit hoher Viskosität (bis zu 20.000 mPasec) zerstäubbar
• enge Tropfengrößenverteilung bei feiner Sprühung (D50 von 10 bis 80 Mikrometer)
• drucklose Flüssigkeitszuführung
• sehr gute Steuerungsmöglichkeit für die Tropfengröße durch Variation des Zerstäubungsgasdrucks oder des Flüssigkeitsdurchsatzes.
• keine bewegten Teile (-> Explosionsschutz)

Nachteile

• breite Tropfengrößenverteilung bei grober Sprühung (D50 80 bis 400 Mikrometer)
• Zerstäubungsenergie in Form von komprimiertem Gas erforderlich.

2.3 Zweistoffdüse innenmischend

Bie diesem Typ wird die zu zerstäubende Flüssigkeit im Innern der Düse mit dem Zerstäubungsgas gemischt und tritt als Zweiphasenströmung aus.

Vorteile

• Flüssigkeiten mit hoher Viskosität (bis zu 20.000 mPasec) zerstäubbar
• enge Tropfengrößenverteilung bei feiner Sprühung (D50 von 10 bis 80 Mikrometer)
• geringerer Energiebedarf als Außenmischdüse
• sehr gute Steuerungsmöglichkeit für die Tropfengröße durch Variation des Zerstäubungsgasdrucks oder des Flüssigkeitsdurchsatzes.
• keine bewegten Teile

Nachteile

• Abrasion
• verstopfungsempfindlich bei feststoffhaltigen Flüssigkeiten, die in der Düse austrocknen können
• breite Tropfengtrößenverteilung bei grober Sprühung (D50 von 80 bis 400 Mikrometer)
• Flüssigkeit muß unter Druck zugeführt werden
• Zerstäubungsenergie in Form von komprimiertem Gas erforderlich.

2.4. Zerstäuberscheibe

Die Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt durch Beschleunigung der Flüssigkeit im Fliehkraftfeld einer Scheibe und anschließendem Strahlzerfall. Am Umfang der Scheibe werden 300 m/sec erreicht.

Vorteile

• Flüssigkeiten mit hoher Viskosität (bis zu 20.000 mPasec) zerstäubbar
• enge Tropfengrößenverteilung bei feiner Sprühung (D50 von 10 bis 80 Mikrometer)
• geringerer Energiebedarf als Innenmischdüse
• gute Steuerungsmöglichkeit für die Tropfengröße durch Variation der Zerstäuberscheibendrehzahl und/oder des Flüssigkeitsdurchsatzes.

Nachteile

• Abrasion
• wartungsintensiv
• deutlich teurer als Düsen
• bewegtes Teil (-> Explosionsschutz)
• breite Tropfengrößenverteilung bei grober Sprühung (D50 von 80 bis 400 Mikrometer)

2.5. Ultraschallzerstäuber

Bei diesen Zerstäubern wird die Flüssigkeit durch Ultraschallanregung in Eigenschwingungen versetzt, die letztlich zur Auflösung in Tropfen führt. Die Tropfengrößenverteilung ist im Vergleich zu den vorher genannten Aggregaten sehr eng. Es gibt Zerstäuber mit und ohne Kontakt der Flüssigkeit mit dem Schwinger. Die letzteren haben den Vorteil, dass keine Kavitation an den Schwingeroberflächen auftritt. Durch Kavitation kann der Feststoff schon auf der Schwingeroberfläche abgeschieden werden. In der Sprühtrocknung hat sich diese Zerstäubung bislang nicht durchsetzten können, weil die Aggregate bei kleinen Durchsätzen sehr teuer und empfindlich sind.

2.6. Andere Zerstäubungsverfahren

Es gibt noch andere Zerstäubungsverfahren:

• Abtropfen über einen Siebboden
• zwischen zwei gegenläufigen Walzen Fäden ausziehen und Tropfenzerfall

Das Abtropfverfahren wird für Metallschmelzen und beim Prillen von Produkten angewandt.

3. Trocknung

Sobald die Tropfen gebildet sind, müssen sie mit genügend warmem Trocknungsgas vermischt werden. Die Vermischung geschieht bei dei den Zerstäubern  nach 2.1 bis 2.4 schon durch die hohe Geschwindigkeit der Tropfen beim Eintritt in den Trockner. Bei Einstoffdüsen ergaben Messungen des in den Sprüh eingeschleppten Massenstroms des Umgebungsgases einen Faktor10 zum Sprühmassenstrom. Bei den Zerstäubern nach 2.5 und 2.6 stellt die geringe Anfangsgeschwindigkeit ein Problem dar.

Die Ausbildung des Sprühtrocknerkopfes muss  auf den Zerstäuber abgestimmt werden. Für Düsenzerstäuber ist eine geringe Eintrittsgeschwindigkeit des Trocknungsgases erforderlich. Beim Scheibenzerstäuber muss das Trocknungsgas dagegen mit hoher Geschwindigkeit um die Scheibe herum zugeführt werden, um den Sprüh nach unten abzulenken. Andernfalls würde er auf die Wandung auftreffen und dort zu Anbackungen führen. Aus dem gleichen Grund werden Düsentürme schlank und mehr hoch als breit gebaut.

Wenn die Teilchen die Wandung am Ende der Trocknungskammer erreichen, müssen sie trocken und nicht klebend sein. Deshalb soll die Trocknungskammer immer genügend groß dimensioniert werden, da man sonst im Betrieb immer Schwierigkeiten mit Anbackungen erwarten darf. Bei späteren Änderungen an der Rezeptur oder bei Produktänderungen gewinnt man durch eine genügend groß dimensionierte Trockenkammer erheblich an Betriebssicherheit.

Bei bestimmten schwierigen Produkten kommen Feingutrückführung, Zusatzkühlung, integrierte oder externe  Fließbetttrockner oder anderere Verfahrenserweiterungen zur Anwendung.

4. Abscheidung

Sprühtrockner werden mit Cyclon und/oder Filterabscheidung ausgeführt. Zum Erreichen der vorgeschriebenen Reststaubwerte werden im allgemeinen Filter eingesetzt. Bei häufigen Produktwechseln kommen Cyclon-Filter oder Cyclon-Wäscherkombinationen zum Einsatz.

Die Auslegung der Filter soll so erfolgen, dass auch bei Änderung der Produktspezifikation noch ein sicherer Betrieb möglich ist.

5. Nebenaggregate

Das Trocknungsgas wird durch Ventilatoren durch die Anlage bewegt. Die notwendige Energie zur Verdampfung des Lösemittels wird durch Erwärmung des Trocknungsgases eingebracht.
Erwärmungstypen

• direkte Erwärmung durch Abgase eines Brenners (Erdgas, Flüssiggas, Öl)
• direkte Erwärmung durch Abgase eines anderen Prozesses, Bedingung: keine hohe Lösemittelvorbeladung
• indirekte Erwärmung mit Wärmetauscher
• gas- oder ölbefeuert
• dampfbeheizt
• wärmeträgerölbeheizt
• elektrisch beheizt

Das Trocknungsgas kann gefiltert werden, um die Kontamination des hergestellten Produkts zu vermeiden.

6. Explosionsschutz

Bei staubexplosiven Produkten und bei explosiblen Lösemitteln (beim Auftreten von beiden Bedingungen spricht man von hybriden Gemischen) ist die Ausrüstung mit Explosionsschutzvorrichtungen erforderlich. Folgende Schutzmöglichkeiten gibt es:

• Vermeidung explosibler Atmosphäre
• Vermeidung von Zündquellen (keine bewegten Teile, wenn doch, Geschwindigkeit unter 1 m/s, Erdung)
• druckstoßfeste Bauweise mit
• Druckentlastungsklappen
• Berstscheiben
• Explosionsunterdrückung
• explosionsdruckfeste Bauweise
• Kreislaufbetrieb mit Inertgas
• Kreislaufbetrieb mit Selbstinertisierung

7. Steuerung

Die Steuerung des Trockners erfolgt meist durch ein Prozessleitsystem oder bei kleineren Anlagen auch mit konventionellen Steuerungsanlagen. Der Betrieb kann vollautomatisch gestaltet werden. Dadurch wird eine gleichbleibende Produktqualität erzielt. Im Störungsfall wird der Trockner in einen sicheren Zustand gebracht.

 8. Energieverbrauch

Der Energieverbrauch des Sprühtrockners bestimmt sich in einer vereinfachten Energiebilanz zu:

Q = m * h_v * (X_E - X_A)   (1)

mit

Q   Energie zur Verdampfung kJ
m   Masse Trockenprodukt kg
X_A  Anfangsfeuchte bezogen auf Trocken
X_E  Endfeuchte bezogen auf Trocken
h_v    Verdampfungswärme Lösungsmittel kJ/kg

Da der Sprühtrockner ein konvektiver Trockner ist, wird die notwendige Energie zur Verdampfung  durch die fühlbare Wärme des Trocknungsgases zugeführt:

Q=m_g * c_pg * (T_A - T_E)   (2)

mit

Q    übertragene Energiemenge kJ
m_g  Trocknungsgasmenge kg
c_pg  spezifische Wärme Trocknungsgas kJ/(kg*K)
T_A    Anfangstemperatur des Trocknungsgases °C
T_E    Endtemperatur des Trocknungsgases °C

Das Trocknungsgas muss von den Umgebungsbedingungen auf die Anfangstemperatur erwärmt werden:

Q_g=m_g * c_pg * (T_A - T_U)

mit

Q_g   Energie für die Trocknungsgaserwärmung kJ
m_g  Trocknungsgasmenge kg
c_pg  spezifische Wärme Trocknungsgas kJ/(kg*K)
T_A    Anfangstemperatur des Trocknungsgases °C
T_U   Ansaugtemperatur des Trockners °C (hier setzt man die Jahresmitteltemperatur ein)

Den Anwender interessiert der Energieverbrauch je kg hergestelltes Produkt. Diesen berechnet man in der vereinfachten Bilanz in dem man Q_g durch m dividiert und die Gleichungen einsetzt:

Q_g/m=  h_v * (X_E - X_A) *(T_A - T_U )/(T_A - T_E)

Bei bekanntem Energiepreis lassen sich die energetischen Trocknungskosten berechnen.