Осушитель

Осушители – это сушильное оборудование, в основе работы которого лежат влагопоглощающие свойства осушенного воздуха и адсорбирующих веществ. Влажность полимера на момент переработки – один из ключевых параметров, определяющих качество готовой продукции.

Негигроскопичные полимеры имеют отрицательную впитывающую способность, влага способна собираться только на поверхности гранул. Гигроскопичные полимеры накапливают влагу не только на поверхности, но и внутри. Имеющие полярную модель молекулы воды образую водородные связи с полярными группами полимеров. Чем выше полярность полимера, меньше плотность и степень кристалличности, тем большими гигроскопичными свойствами он обладает. Отдельные типы полимеров могут поглощать до 10% влаги, негигроскопичные с отрицательной полярностью – менее 0,5%. Полистирол имеет влагопоглотительную способность не более 0,05%, полипропилен – до 0,1%, поликарбонат до 0,2%, полиэтилен до 0,1%, поликапролактам до 0,04%.

Содержащаяся в гранулах и на их поверхности влага в процессе нагрева при переработке диффундирует в полимерный расплав, что снижает его текучесть и термопластичность, ухудшает свойства готового изделия. При избытке влаги внутри гранул ослабляются межмолекулярные связи, что отрицательно влияет на прочность изделия. На поверхности готового изделия также появляются дефекты в виде пузырей, отслоений, короблений. При повышенной влажности сырья перед переработкой ухудшается его сыпучесть. Для предотвращения описанных дефектов применяют сушку сырья, одним из видов которой является сушка с адсорбирующими добавками.

Конструкция осушителя

Адсорбционная сушилка для полимеров состоит из системы каналов для транспортировки потока сухого воздуха, бункера осушки и адсорбционного ротора (или двух). Также в адсорбционном осушителе могут присутствовать дополнительные узлы - нагреватели и охладители.

Нагреватели

Для повышения эффективности процесса сушки производится нагрев сухого воздуха. Для этого в конструкции предусмотрены нагреватели. Важно регулировать температуру нагрева воздушного потока. Несмотря на более высокую эффективность сушки, нагрев до предельной температуры может повлечь за собой термодеструкцию осушаемого полимера.

Нагреватели используются и для регенерации адсорбента. Они устанавливаются на корпусе и нагревают поток регенерирующего воздуха.

Охладители

Охладители используются для холодной регенерации адсорбента. Они обеспечивают поддержание заданной температуры воздуха на входе и выходе. Когда воздух в потоке очень теплый и влажный, охладители устанавливают перед адсорбционным ротором. При охлаждении до точки росы часть воды конденсируется, что повышает эффективность процесса. Если сухой воздух на выходе из адсорбционного ротора должен быть холодным, также рекомендуется установка охладителя.

Бункер осушки полимеров

Бункер осушки – это большой барабан, в который сверху засыпают полимерное сырье. Барабан выполнен из нержавеющей стали с высокими антикоррозионными свойствами. К барабану подсоединены воздушные каналы, подающие сухой воздух внутрь и выводящие обратно в систему насыщенный влагой воздушный поток.

Стальной бункер – основной узел, в котором происходит непосредственная сушка пластика. В нижней части расположено выгрузочное отверстие, снабженное заслонкой, для отбора готового к производству сырья в бункер-накопитель.

Адсорбционный ротор

Ротор для адсорбции влаги из воздуха на 82% заполнен адсорбентом. Через медленно вращающийся ротор проходит воздушный поток, отдавая или адсорбируя молекулы остаточной воды.

Осушаемый поток воздуха отдает влагу  при выходе из цилиндра и перераспределяется в бункер осушки. Регенерирующий поток также проходит через ротор с адсорбентом, но забирает у него влагу и удаляет из системы, восстанавливая ресурс осушителя. Регенерация насыщенного адсорбента с целью восстановления его адсорбирующей способности осуществляется путем его нагрева горячим воздухом. Температура воздуха составляет 100 – 140⁰С. Дополнительно может производиться нагрев адсорбента. Температура нагрева своя для каждого вида адсорбирующего вещества, может достигать 400-600⁰С.

После регенерации адсорбционной способности осушителя его ресурс может восстановиться частично или полностью. Частичное восстановление позволяет снизить эксплуатационные затраты, но сократит время до последующей регенерации.

Принцип работы осушителя с адсорбцией

Полимерный материал в виде гранул подается сверху в осушительный бункер вручную оператором или при помощи механизированного загрузчика. Здесь происходит процесс отделения влаги от полимера и поглощение освободившихся молекул воды сухим воздухом. Направленным потоком воздуха вода перемещается в адсорбционную емкость.

Адсорбирующая емкость, где воздух сбрасывает влагу, содержит молекулярное сито (самый распространенный осушитель) или иной адсорбент. Молекулярное сито изготавливают из предварительно активизированного оксида алюминия. Важно применять данный метод в тех регионах, где воздух на улице не остывает ниже -40⁰С. При этом циклы сушки воздуха и регенерации адсорбента чередуются. Если емкостей две, то одна из них находится в фазе работы, вторая в фазе регенерации осушающей добавки.

Осушенный воздух вновь возвращается в систему и распределителем перенаправляется в нагревательный узел. Нагретый до безопасной температуры (ниже температуры термодеструкции осушаемого полимера) осушенный воздух подается в осушительный бункер и повторно проходит через слой полимерных гранул, забирая влагу. Далее процесс повторяется. Средняя температура нагрева воздуха составляет, приблизительно, 150-200⁰С.

Просушенный до требуемого состояния полимер выгружается из нижней части бункера. Отсюда он сгружается в накопительную емкость или по транспортировочной линии подается напрямую в загрузочный бункер производственного оборудования.

Существует два варианта сушки с использованием адсорбирующих добавок:

• Сушка в течение определенного времени. Например, может быть установлен цикл сушки 3ч, по истечении заданного времени процесс просушивания гранулированного полимера останавливается. Фактическая влажность материала при этом не учитывается.
• Сушка с контролем влажности воздуха. При таком режиме сушки осушенный воздух будет циркулировать по системе до момента достижения полимером заданного значения. Фактическая влажность материала является определяющим параметром.

Одновременно или последовательно с сушкой полимера выполняется осушка воздуха путем пропускания насыщенного влагой воздушного потока через адсорбент, а также регенерация адсорбента. Полимер просушивается в бункере осушения, осушение воздуха и регенерация – в адсорбционном роторе.

Особенности сушки с адсорбирующими добавками

Работа сушилки данного типа основывается на адсорбции – поглощении какого-либо вещества (воды) из газообразной среды (воздуха) поверхностным слоем твердого тела (осушающей добавки). Такой способ позволяет полностью удалить остаточную влагу из гигроскопичных полимеров. Для негигроскопичных материалов используются более простые устройства, например, бункерная сушилка или каскад циклонов.

Кратко сушка с адсорбцией происходит следующим образом: осушенный воздух, проходя через полимерное сырье, поглощает из него влагу и с потоком уносит в емкость с адсорбентом. Проходя через адсорбирующие добавки, воздух отдает им влагу, после чего снова подается в емкость с осушаемым полимером.

Процесс циркуляции воздуха может продолжаться до тех пор, пока адсорбирующая добавка не израсходует свой ресурс. Заложенный ресурс для каждого типа осушителя разный. При его регенерации максимальное снижение ресурса происходит в первый цикл, после чего потеря ресурса становится малозаметной, но регулярной при каждой регенерации.

Особенность данного типа сушилок в том, что воздух циркулирует в замкнутой системе. Не производится его выброс в окружающую среду. Следовательно, влажность окружающей среды не оказывает влияния на процесс сушки. Стандартные сушилки в значительной степени отдают влагу в помещение, а результат сушки напрямую зависит от влажности в атмосферном воздухе.

Несмотря на повышенную энергоемкость и наличие существенных потерь тепла, метод сушки с адсорбирующими добавками экономичен и эффективен. Воздух нагревается и подается порционно. Его приблизительное количество составляет 20-30% от общего объема воздуха.

Классификация оборудования для сушки

Осушители с адсорбцией имеют достаточно простую конструкцию и принцип работы. Классификация производится по следующим основным критериям:

• По способу регенерации (холодная, горячая).
• По количеству адсорбционных роторов (один, два).
• По классу осушения (1-4).

Способ регенерации

По способу восстановления адсорбента сушилки данного типа делятся на две категории: с холодной или горячей регенерацией. Принципиальное отличие в температуре нагрева или охлаждения.

При холодной регенерации восстановление адсорбента происходит при максимально низких температурах, но без замерзания частиц влаги. Такие осушители просты и надежны, потому довольно востребованы. После полного насыщения адсорбента выполняется его продувка осушенным воздухом с целью выведения влаги за пределы системы. Удаление влаги возможно при скорости воздушного потока около 100 м³/ 60 сек. В среднем на восстановление адсорбента тратится 15-20% от общего объема циркулирующего в системе воздуха.

При горячей регенерации возможно восстановление адсорбента по внешнему или вакуумному сценарию. В обоих случаях воздух подается в адсорбционную емкость в состоянии регенерации, где создаются определенные условия. Молекулы влаги насыщают воздух, после чего с потоком выводятся из системы. При внешнем нагреве воздуха используются наружные нагревательные системы. Термодатчики контролируют уровень нагрева воздуха, но важно обеспечить давление выше атмосферного. Это влечет за собой усложнение конструкции и увеличение расходов. При вакуумной регенерации также необходим контролируемый нагрев воздуха, но создаваемое давление ниже атмосферного – вакуум. Горячая регенерация по двум описанным сценариям применяется в масштабах крупного производства. Применят его для осушения небольших порций адсорбента нецелесообразно.

В сушилках с нагревом чаще всего используют твердый адсорбент, например, силикагель. Он насыщен кремниевыми кислотами в сочетании со щелочными металлами. Часто вместо силикагеля используется цеолит.

Класс осушения

По данному критерию осушительные устройства можно разделить на четыре группы. Оборудование 4 класса осушения высушивают воздух до точки росы +3⁰С. При дальнейшем снижении температуры будет образовываться конденсат. Оборудование 3 класса осушения стабильно работают при температуре - 20⁰С. Для устройств 2 класса осушения возможна эксплуатация при температуре -40⁰С. Самые эффективные и мощные модели могут показывать хорошие результаты сушки при температуре -70⁰С.

Количество адсорбционных роторов

При наличии в конструкции только одного ротора через него проходят два параллельных воздушных потока: регенерирующий и осушаемый. При наличии двух адсорбционных роторов процесс осушки воздуха и регенерации адсорбента происходит в разных емкостях параллельно или последовательно. Такая конструкция производительнее, но стоит дороже.

Виды осушителей для полимеров

Осушающая добавка – это химический адсорбент, который поглощает влагу из воздуха. Осушительная система может применяться для удаления остаточной влаги из первичного или вторичного сырья перед непосредственным формованием изделия методом литья или экструзии.

Существует большое количество адсорбирующих веществ – осушителей. К ним относятся как осушители воздуха, забирающие влагу из направленного потока воздуха (силикагель, цеолит и другие), так и осушающие добавки, которые вмешиваются в полимер перед производством изделий (десикант).

Силикагель

Силикагель – распространенный вид адсорбента. При изготовлении силикагеля используют насыщенные кремниевые кислоты в смеси со щелочными металлами. Осушитель применяется для сушкиполимера с горячей регенерацией адсорбента.

Обычный силикагель подвергается химической реакции и быстро разрушается при контакте с водой, потому требует быстрой замены. Лучше использовать влагостойкие марки осушителя на стекловолоконной основе. Они обладают оптимальной пористостью и хорошим ресурсом.

Цеолит

Цеолит, также получивший название «молекулярное сито», представляет собой алюмосиликат на основе кальция и натрия. В зависимости от температуры воздуха адсорбент может либо забирать, либо отдавать влагу. Это позволяет при помощи температуры запускать либо процесс адсорбции, либо регенерацию адсорбента.

Цеолит хорошо работает при температуре от -25 до -40⁰С, но при очень низких температурах теряет эффективность. Он оптимален для осушения с холодной регенерацией.

Молекулярное сито делится по размеру ячейки на несколько категорий. Марка 3А имеет эффективное отверстие пор около 3 ангстремов (0,3 Нм), обладают высокой скоростью адсорбции и эффективностью осушения. Молекулярное сито 4А характеризуется эффективным отверстием пор 4 ангстрема (0,4 Нм), используется для удаления углекислого газа, метанола, аммиака из газов и жидкостей. Цеолит 5А имеет размер пор, соответственно, 5 ангстремов (0,5 Нм) и используется для удаления из газов и жидкостей углекислого газа, воды, сероводорода, а также для разделения нормальных и изопарафинов. Это наиболее востребованные типы молекулярных сит.

Хлорид кальция

Безводный хлорид кальция – наиболее дешевый и доступный осушитель, однако с ним процесс адсорбции влаги занимает продолжительное время. При обозначенных преимуществах он несовместим со спиртами, аминами, фенолами, амидами, аминокислотами, кетонами, некоторыми альдегидами. Хлорид кальция проявляет химическую активность в отношении этих веществ, потому не подходит в качестве осушителя.

Сульфат натрия

Безводный сульфат натрия хорошо адсорбирует молекулы воды, но работает достаточно медленно и не удаляет влагу до конца. При этом сульфат натрия широко доступен и имеет невысокую цену. Сравним с хлоридом кальция, но может использоваться почти во всех случаях. Чаще применяется для предварительного удаления большого объема воды.

Десикант

Десикант – осушитель для полимеров, который предотвращает взаимодействие влаги с полимером на стадии смешения. Это отдельный вид осушителя, который используется для непосредственного осушения сырья, а не для адсорбции влаги из воздуха в процессе сушки. Добавка особенно актуальна, когда у производителя возникают сомнения в качестве сырья, степени влажности и загрязнения. Десикант эффективно работает как с первичными, так и со вторичными полимерами. Он подходит для ПА, ПВХ, АБС, линейного ПЭ, ПП.

Десикант смешивают с полимером для устранения из него влаги. В результате влага становится неактивной. При введении добавки физико-механические свойства полимера остаются неизменными, сохраняется цвет. Единственный недостаток в виде незначительного помутнения готового изделия наблюдается при экструзии бесцветных пленок.