Auswahl einer Vakuumpumpe für Trocknungsanwendungen

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Grundsätzlich muss zwischen kurzfristigen Trocknungsprozessen und Trocknungsprozessen unterschieden werden, die mehrere Stunden oder sogar Tage dauern können. Unabhängig von der Trocknungsdauer werden alle Trocknungsprozesse in etwa wie auf der entsprechenden Seite beschrieben durchgeführt.

Als Anwendungsbeispiel wird die Trocknung von Salz (Kurzzeittrocknung) beschrieben, wobei es sich um einen bereits bewährten Trocknungsprozess handelt.

Trocknen von Salz

Zunächst werden 400 kg (881 lbs) feinkörniges Salz mit einem Wassergehalt von ca. 8 % in der kürzestmöglichen Zeit (ca. 1 Stunde) getrocknet, bis der Wassergehalt weniger als 1 % beträgt. Die erwartete Wasserabscheidung beläuft sich auf etwa 28 kg (61 lbs). Das Salz in der Kammer wird während des Trocknungsprozesses kontinuierlich geschüttelt und auf ca. 80 °C (176 °F) erhitzt. Das Vakuumsystem ist schematisch in Abb. 2.78 dargestellt.

Abb. 2.78 Vakuumschaubild für die Trocknung von Salz. Pumpenkombination bestehend aus Rootspumpe, Kondensator und Drehkolbenpumpe zur schrittweisen Umschaltung des Pumpvorgangs.

Vakuumkammer mit Salzfüllung
Rootspumpe
Kondensatoren
Drosselventil
Drehschieberpumpe

Während des ersten Viertels der Trocknungszeit wird weit mehr als die Hälfte der Wasserdampfmenge entwickelt. Dann ist der Kondensator die eigentliche Hauptpumpe. Aufgrund der hohen Wasserdampftemperatur und des zu Beginn der Trocknung sehr hohen Wasserdampfdrucks ist die Kondensationsleistung des Kondensators deutlich höher. Aus Abb. 2.78 geht hervor, dass ein Kondensator mit einer Kondensationsfläche von 2 m² bei einem Eingangsdruck von 100 mbar in 15 Minuten etwa 15 Liter (3 Gallonen) Wasser kondensieren kann. Während dieses anfänglichen Prozesses muss jedoch sichergestellt werden, dass der Wasserdampfdruck an der Eintrittsöffnung der Drehschieberpumpe deren Wasserdampfverträglichkeit von 60 mbar nicht überschreitet. Dies wird durch die Regulierung des Eingangsdrucks der Drehschieberpumpe mit Hilfe des Drosselventils sichergestellt. Da die Vorpumpe in diesem Stadium nur den kleinen Teil der nicht kondensierbaren Gase abpumpen muss, reicht eine Drehschieberpumpe vom Typ SOGEVAC SV65B aus. Mit zunehmender Prozessdauer nimmt die Wasserdampfentwicklung ab, ebenso wie der Wasserdampfdruck im Kondensator. Wenn der Wasserdruck in der Kammer unter 27 mbar fällt, wird die Rootspumpe zugeschaltet. Dadurch wird der Wasserdampf schneller aus der Kammer gepumpt, der Druck in den Kondensatoren steigt, und ihre Kondensationsleistung nimmt wieder zu. Die Kondensatoren werden durch ein Ventil isoliert, wenn ihr Wasserdampf seinen Sättigungsdampfdruck erreicht. Zu diesem Zeitpunkt herrscht in der Kammer nur noch ein Wasserdampfdruck von etwa 4 mbar, und das Pumpen erfolgt durch die Rootspumpe mit einer Gasballast-Vorpumpe, bis der Wasserdampfdruck etwa 0,65 mbar erreicht. Aus Erfahrung kann man davon ausgehen, dass das Salz nun den gewünschten Trockenheitsgrad erreicht hat.
Dank der heutigen Trockenpumpentechnologie kann der gleiche Prozess auch ohne ein Drosselventil durchgeführt werden. Beispielsweise könnte der Prozess mit einer trockenlaufenden Schraubenpumpe vom Typ VARODRY VD65 ohne eine komplexe Druckregulierung erfolgen. In den ersten Phasen des Prozesses wird die Dampfverträglichkeit der Pumpe kurzzeitig überschritten. Dies führt zu einer gewissen Kondensation des Wassers in der Pumpe, das von der VARODRY herausgepumpt wird und später bei Druckabsenkung einfach austrocknet.

Trocknen von Papier

Wenn Pumpen für einen längeren Prozesslauf die richtige Größe haben sollen, ist es zweckmäßig, den Prozesslauf in charakteristische Abschnitte zu unterteilen. Als Beispiel wird im Folgenden die Papiertrocknung erläutert, bei der das Papier einen anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt von 8 % aufweist und der Behälter das Volumen V hat.

1. Evakuierung

Die Vorpumpe muss im Hinblick auf das Volumen des Behälters und die gewünschte Abpumpzeit angemessen dimensioniert sein. Diese Abpumpzeit richtet sich nach der gewünschten Prozessdauer: Wenn der Prozess nach 12 bis 15 Stunden beendet sein soll, sollte die Abpumpzeit nicht länger als 1 Stunde dauern. Die Größe der Vorpumpe lässt sich leicht anhand der Seite zu diesem Thema berechnen.

2. Vortrocknung

Beim Vortrocknen werden je nach Druckbereich, in dem gearbeitet wird, etwa 75 % der Feuchtigkeit entzogen. Diese Vortrocknung sollte das erste Drittel der Trocknungszeit in Anspruch nehmen. Die Geschwindigkeit, mit der die Vortrocknung abläuft, hängt fast ausschließlich von einer ausreichenden Wärmezufuhr ab. Um 1 Tonne Papier in 5 Stunden vorzutrocknen, müssen 60 kg (132 lbs) Wasser verdampft werden, d. h. es wird ein Energieaufwand von etwa 40 kWh benötigt, um das Wasser zu verdampfen. Da das Papier gleichzeitig auf eine Temperatur von ca. 120 °C (248 °F) erhitzt werden muss, sind durchschnittlich etwa 20 kW erforderlich. Die durchschnittliche Dampfentwicklung pro Stunde beläuft sich auf 12 kg (26 lbs). Daher sollte ein Kondensator mit einer Kapazität von 15 kg/h (33 lbs/h) ausreichend sein. Wenn das Papier vor der Evakuierung ausreichend vorgewärmt wird (eventuell durch Umlufttrocknung), muss in der ersten Stunde der Trocknung mit einer doppelten Dampfentwicklung gerechnet werden.

3. Haupttrocknung

(2.37)

(2.38)

Wenn in der zweiten Stufe der Druck in weiteren 5 Stunden von 20 auf etwa 5,3 mbar sinken soll und 75 % der Gesamtfeuchte (d. h. 19 % der Gesamtfeuchte von 15 kg (33 lbs)) entzogen werden sollen, muss die Pumpe gemäß den Gleichungen (2.37) und (2.38) ein Saugvermögen aufweisen von

Nach Gleichung 1.7 entspricht 15 kg (33 lbs) Wasserdampf bei 15 °C (59 °F) einer Wasserdampfmenge von

Daher wäre die Rootspumpe die geeignete Pumpe. Die zulässige Restfeuchte im Produkt bestimmt den erreichbaren Enddruck. Das Verhältnis zwischen dem Enddruck und der verbleibenden Feuchtigkeit wird für jedes Produkt festgelegt, unterscheidet sich jedoch von Produkt zu Produkt. Leybold verfügt über langjährige Anwendungserfahrung in diesem Bereich. Angenommen, es wird ein Restfeuchtegehalt von 0,1 % benötigt, für den der erforderliche Enddruck 6 · 10^-2 mbar beträgt. Während der letzten 5 Stunden werden die restlichen 6 % des Feuchtigkeitsgehalts, also 5 kg (11 lbs) Wasser, entfernt. Bei einem mittleren Druck von ca. 0,65 mbar entsteht 2.000 m³/h Dampf. Es gibt zwei Möglichkeiten:

a) Man arbeitet weiter mit der oben erwähnten Rootspumpe. Der endgültige Gesamtdruck pendelt sich auf einen Wert ein, der der sich entwickelnden Wasserdampfmenge entspricht. Man wartet, bis ein Druck von etwa 6,5 · 10^-2 mbar erreicht ist, was natürlich länger dauert.

b) Man wählt von Anfang an eine etwas größere Rootspumpe (z. B. eine mit einem Saugvermögen von 2.000 m³/h). Für größere Papiermengen (z. B. 5000 kg oder 11.023 lbs) eignet sich ein solches Pumpsystem, das bei einem Saugvermögen für Wasserdampf von bis zu 20.000 m³/h automatisch den Druck von 27 auf 10^-2 mbar senkt. Der gesamte Zeitbedarf für die Trocknung wird bei Verwendung solcher Pumpen erheblich reduziert.

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