اختر تقنية التجفيف المناسبة

تجفيف المواد أمر لا مفر منه لكل معالج البلاستيك. كما أنه يعد أمرًا بالغ الأهمية لإنتاج-منتجات عالية الجودة. يساعد اختيار تقنية التجفيف المناسبة على توفير التكاليف وتقليل استهلاك الطاقة، ويعد التقييم الصحيح لتقنية التجفيف والتكاليف أمرًا ضروريًا لاختيار التقنية المناسبة.

زيادة محتوى الماء تدريجيا يقلل من لزوجة القص للمادة. أثناء المعالجة، تؤدي التغييرات في خصائص تدفق الذوبان إلى تغييرات مقابلة في جودة المنتج ومجموعة من معلمات المعالجة. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي فترات المكوث الطويلة جدًا إلى انخفاض محتوى الرطوبة المتبقية، وزيادة اللزوجة، مما يؤدي إلى ملء القالب بشكل غير كامل واصفرار المادة. علاوة على ذلك، فإن بعض التغيرات في الخصائص لا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر ولكن لا يمكن اكتشافها إلا من خلال اختبارات المواد ذات الصلة، مثل التغيرات في الخواص الميكانيكية وقوة العزل الكهربائي.

عند اختيار عملية التجفيف، يعد تحديد خصائص تجفيف المادة أمرًا بالغ الأهمية. يمكن تصنيف المواد على أنها استرطابية أو غير استرطابية. تمتص المواد المسترطبة الرطوبة من البيئة المحيطة، في حين أن المواد غير-لا تمتص الرطوبة. بالنسبة للمواد غير -الاسترطابية، تظل أي رطوبة موجودة في البيئة على السطح، وتتحول إلى "رطوبة سطحية" يمكن إزالتها بسهولة. ومع ذلك، فإن الحبيبات المصنوعة من مواد غير قابلة للاسترطاب-يمكن أن تصبح استرطابية بسبب الإضافات أو الحشوات.

علاوة على ذلك، قد يختلف حساب استهلاك الطاقة لعملية التجفيف اعتمادًا على مدى تعقيد المعالجة وعوامل أخرى، لذا فإن الأرقام المعروضة هنا هي للإشارة فقط.

التجفيف بالحمل الحراري

بالنسبة للمواد غير -المرطبة، يمكن استخدام مجففات الهواء الساخن. يتم ربط الرطوبة بشكل فضفاض عن طريق التوتر السطحي بين المادة والماء، مما يجعل من السهل إزالتها. تعمل هذه الآلات باستخدام مروحة لسحب الهواء المحيط وتسخينه إلى درجة الحرارة المطلوبة لتجفيف المادة المحددة. يمر الهواء الساخن عبر قادوس التجفيف ويسخن المادة من خلال الحمل الحراري لإزالة الرطوبة.

يتضمن تجفيف المواد الاسترطابية عمومًا ثلاث مراحل: المرحلة الأولى تبخر الرطوبة السطحية للمادة؛ المرحلة الثانية تركز على التبخر على الجزء الداخلي من المادة، حيث ينخفض ​​معدل التجفيف ببطء بينما تبدأ درجة حرارة المادة في الارتفاع؛ وفي المرحلة النهائية، تصل المادة إلى التوازن الاسترطابي مع غاز التجفيف. في هذه المرحلة، يتم التخلص من فرق درجة الحرارة بين الداخل والخارج. في نهاية المرحلة الثالثة، إذا لم تعد المادة المجففة تطلق الرطوبة، فهذا لا يعني أنها خالية من الرطوبة-، ولكنها تشير ببساطة إلى أنه قد تم إنشاء توازن بين الجزيئات والبيئة المحيطة.

في تكنولوجيا التجفيف، تعتبر درجة حرارة نقطة الندى للهواء معلمة حاسمة. درجة حرارة نقطة الندى هي درجة الحرارة التي تصل فيها الرطوبة النسبية إلى 100% مع الحفاظ على ثبات المحتوى الرطوبي للهواء الرطب. وهو يمثل درجة الحرارة التي يصل عندها الهواء إلى نقطة التكثيف. بشكل عام، كلما انخفضت نقطة الندى في الهواء المستخدم للتجفيف، انخفض محتوى الرطوبة المتبقية وكان معدل التجفيف أبطأ.

حاليًا، الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج الهواء الجاف هي استخدام مولد الغاز الجاف. تتمحور هذه المعدات حول مجفف امتزاز يتكون من منخلين جزيئيين، حيث يتم امتصاص الرطوبة الموجودة في الهواء. في حالة التجفيف، يتدفق الهواء عبر المناخل الجزيئية، التي تمتص الرطوبة من الغاز، مما يوفر غازًا مزيلًا للرطوبة للتجفيف. في حالة التجديد، يتم تسخين المناخل الجزيئية إلى درجة حرارة التجديد الخاصة بها بواسطة الهواء الساخن. يقوم الغاز المتدفق عبر المناخل الجزيئية بتجميع الرطوبة المزالة ويحملها إلى البيئة المحيطة. هناك طريقة أخرى لتوليد الغاز الجاف وهي تقليل ضغط الغاز المضغوط. ميزة هذه الطريقة هي أن الغاز المضغوط في شبكة الإمداد لديه نقطة تكاثف منخفضة الضغط. وبعد انخفاض الضغط، تصل نقطة الندى إلى 0 درجة تقريبًا. إذا كانت هناك حاجة إلى نقطة ندى أقل، فيمكن استخدام المجففات الغشائية أو المجففات بالامتصاص لتقليل نقطة ندى الهواء بشكل أكبر قبل تقليل ضغط الهواء المضغوط.

في عملية التجفيف بالهواء المجفف، يجب حساب الطاقة اللازمة لإنتاج الغاز الجاف بشكل منفصل. في التجفيف بالامتزاز، يجب تسخين المنخل الجزيئي المتجدد من درجة حرارة الحالة الجافة (حوالي 60 درجة) إلى درجة حرارة التجديد (حوالي 200 درجة). يتم ذلك عادةً عن طريق تسخين الغاز بشكل مستمر إلى درجة حرارة التجديد من خلال المنخل الجزيئي حتى يصل إلى درجة حرارة محددة عند الخروج من المنخل. ومن الناحية النظرية، تتكون الطاقة اللازمة للتجديد من الطاقة اللازمة لتسخين المنخل الجزيئي والماء الممتز بداخله، والطاقة اللازمة للتغلب على التصاق المنخل الجزيئي بالماء، والطاقة اللازمة لتبخير الرطوبة ورفع درجة حرارة بخار الماء.

بشكل عام، ترتبط نقطة الندى التي تم الحصول عليها من الامتزاز بدرجة الحرارة والقدرة على تحمل الرطوبة للمنخل الجزيئي. بشكل نموذجي، نقطة الندى بـ 30 درجة أو أقل تسمح للمنخل الجزيئي بتحقيق قدرة حمل رطوبة بـ 10%. تبلغ متطلبات الطاقة النظرية لإنتاج الغاز الجاف، المحسوبة من مصادر الطاقة، 0.004 كيلووات ساعة/م3. ومع ذلك، من الناحية العملية، يجب أن تكون هذه القيمة أعلى قليلاً لأن الحسابات لا تأخذ في الاعتبار فقدان المروحة أو الحرارة. وبالمقارنة، يمكن تحديد استهلاك الطاقة المحدد لأنواع مختلفة من مولدات غاز التجفيف. بشكل عام، يتراوح استهلاك الطاقة لتجفيف الغاز لإزالة الرطوبة بين 0.04 كيلووات ساعة/كجم و0.12 كيلووات ساعة/كجم، اعتمادًا على المادة ومحتوى الرطوبة الأولي. وفي التشغيل الفعلي، قد تصل إلى 0.25 كيلووات ساعة/كجم أو أعلى.

تتكون الطاقة اللازمة لتجفيف الحبيبات من جزأين: الطاقة اللازمة لتسخين المادة من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة التجفيف، والطاقة اللازمة لتبخير الرطوبة. عادةً ما يتم تحديد حجم الغاز المطلوب بناءً على درجة حرارة غاز التجفيف الذي يدخل أو يخرج من قادوس التجفيف. إن نقل الحرارة من الهواء الجاف عند درجة حرارة معينة إلى الحبيبات من خلال الحمل الحراري هو أيضًا عملية تجفيف بالحمل الحراري.

في الإنتاج الفعلي، يكون استهلاك الطاقة الفعلي في بعض الأحيان أعلى بكثير من القيمة النظرية. على سبيل المثال، قد تبقى المادة في قادوس التجفيف لفترة طويلة جدًا، مما يؤدي إلى استهلاك كمية أكبر من الغاز لإكمال عملية التجفيف، أو قد لا يتم استغلال قدرة الامتصاص للمنخل الجزيئي بالكامل. من الطرق الممكنة لتقليل الطلب على غاز التجفيف وبالتالي خفض تكاليف الطاقة استخدام قادوس تجفيف ذو خطوتين-. في هذا النوع من المعدات، يتم تسخين المادة الموجودة في الجزء العلوي من قادوس التجفيف فقط ولكن لا يتم تجفيفها، لذلك يمكن تحقيق التسخين باستخدام الهواء المحيط أو غاز العادم من عملية التجفيف. باستخدام هذه الطريقة، غالبًا ما يلزم توفير 1/4 إلى 1/3 فقط من الكمية المعتادة من غاز التجفيف إلى قادوس التجفيف، وبالتالي تقليل تكاليف الطاقة. هناك طريقة أخرى لتحسين كفاءة تجفيف غاز إزالة الرطوبة وهي من خلال المزدوجات الحرارية والتجديد المتحكم فيه بنقطة الندى، بينما تستخدم شركة Motan الألمانية الغاز الطبيعي كوقود لتقليل تكاليف الطاقة.

التجفيف بالفراغ

حاليًا، دخل التجفيف الفراغي أيضًا في مجال معالجة البلاستيك. على سبيل المثال، تم تطبيق معدات التجفيف الفراغي التي طورتها شركة Maguire الأمريكية على معالجة البلاستيك. تتكون آلة التشغيل المستمر هذه من ثلاث غرف مثبتة على حزام ناقل دوار. في الحجرة الأولى، بعد ملء الحبيبات، يتم إدخال الغاز المسخن إلى درجة حرارة التجفيف لتسخين الحبيبات. عند مخرج الغاز، عندما تصل المادة إلى درجة حرارة التجفيف، يتم نقلها إلى الغرفة الثانية، والتي يتم إخلاؤها. نظرًا لأن الفراغ يخفض درجة غليان الماء، فإن الرطوبة تتبخر بسهولة أكبر كبخار الماء، وبالتالي تسريع عملية انتشار الرطوبة. يخلق الفراغ أيضًا فرقًا أكبر في الضغط بين داخل الحبيبات والهواء المحيط. عادة، تبقى المادة في الغرفة الثانية لمدة 20-40 دقيقة، ولكن بالنسبة لبعض المواد شديدة الاسترطابية، قد تكون هناك حاجة إلى ما يصل إلى 60 دقيقة. وأخيرًا، يتم نقل المادة إلى الغرفة الثالثة وإزالتها من المجفف.

في كل من تجفيف الغاز بإزالة الرطوبة والتجفيف الفراغي، تكون الطاقة المستهلكة في تسخين البلاستيك هي نفسها لأن كلا الطريقتين يتم تنفيذهما في نفس درجة الحرارة. ومع ذلك، في التجفيف الفراغي، لا يستهلك تجفيف الغاز في حد ذاته طاقة، ولكن هناك حاجة إلى طاقة لإنشاء الفراغ. يعتمد استهلاك الطاقة اللازمة لإنشاء الفراغ على كمية المادة التي يتم تجفيفها ومحتواها من الرطوبة.

التجفيف بالأشعة تحت الحمراء

طريقة أخرى لتجفيف الحبيبات هي التجفيف بالأشعة تحت الحمراء. في التسخين بالحمل الحراري، تكون الموصلية الحرارية بين الغاز والحبيبات، وبين الحبيبات نفسها، وداخل الحبيبات منخفضة جدًا، مما يحد بشكل كبير من انتقال الحرارة. التجفيف بالأشعة تحت الحمراء، نظرًا لأن الجزيئات تتعرض للإشعاع بواسطة ضوء الأشعة تحت الحمراء، فإن الطاقة الممتصة يتم تحويلها مباشرة إلى اهتزازات حرارية، مما يعني أن المادة تسخن بشكل أسرع من التجفيف بالحمل الحراري. بالمقارنة مع التسخين الحراري، يتضمن التجفيف بالأشعة تحت الحمراء أيضًا تدرجًا عكسيًا في درجة الحرارة، بالإضافة إلى فرق الضغط المحلي بين الهواء المحيط والرطوبة الموجودة في الجزيئات. بشكل عام، كلما زاد الفرق في درجة الحرارة بين غاز التجفيف والجزيئات الساخنة، زادت سرعة عملية التجفيف. وقت التجفيف بالأشعة تحت الحمراء عادة ما يكون من 5 إلى 15 دقيقة. في الوقت الحالي، تم تصميم عمليات التجفيف بالأشعة تحت الحمراء كأنظمة أنبوبية دوارة، حيث يتم نقل الجسيمات وتدويرها على طول أنبوب حلزوني مع العديد من سخانات الأشعة تحت الحمراء في القسم المركزي. في التجفيف بالأشعة تحت الحمراء، يمكن اختيار طاقة الجهاز بناءً على معيار 0.035 كيلووات ساعة/كجم إلى 0.105 كيلووات ساعة/كجم.

كما ذكرنا سابقًا، فإن محتويات الرطوبة المختلفة في المادة ستؤدي إلى اختلافات في معلمات العملية. بشكل عام، قد تكون الاختلافات في محتوى الرطوبة المتبقية بسبب اختلاف معدلات التدفق للمواد المختلفة؛ وبالتالي، فإن الانقطاعات في عملية التجفيف أو بدء تشغيل الماكينة وإيقاف تشغيلها ستتسبب في حدوث اختلافات في وقت البقاء. مع معدل تدفق الغاز الثابت، تظهر الاختلافات في معدل تدفق المواد بشكل عام كتغيرات في ملف درجة الحرارة ودرجة حرارة العادم. يقوم مصنعو المجففات بقياس هذه الاختلافات باستخدام طرق مختلفة ومطابقة معدل تدفق غاز التجفيف مع كمية المادة التي يتم تجفيفها، وبالتالي ضبط ملف درجة الحرارة لقادوس التجفيف لضمان تجربة الحبيبات لفترة بقاء مستقرة عند درجة حرارة التجفيف.

علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي اختلاف محتوى الرطوبة الأولي في المادة إلى عدم استقرار محتوى الرطوبة المتبقي. وبما أن وقت الإقامة ثابت، فإن التغيير الكبير في محتوى الرطوبة الأولي سوف يؤدي حتماً إلى تغيير كبير مماثل في محتوى الرطوبة المتبقي. لتحقيق محتوى رطوبة متبقي مستقر، من الضروري قياس محتوى الرطوبة الأولي والمتبقي. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض محتوى الرطوبة المتبقية، يكون القياس عبر الإنترنت أمرًا صعبًا، وقد يتسبب وقت الإقامة الطويل للمادة في نظام التجفيف في حدوث مشكلات في التحكم إذا تم استخدام محتوى الرطوبة المتبقي كإشارة خرج. لذلك، طورت الشركات المصنعة للمجففات مفهومًا جديدًا للتحكم لتحقيق محتوى رطوبة متبقي مستقر. يهدف مفهوم التحكم هذا إلى الحفاظ على محتوى رطوبة متبقي مستقر باستخدام معلمات العملية مثل محتوى الرطوبة الأولي للبلاستيك، ونقطة الندى للغازات الواردة والصادرة، ومعدل تدفق الغاز، ومعدل تدفق الحبيبات كمتغيرات مدخلات. يتيح ذلك لنظام التجفيف الضبط الفوري بناءً على هذه المتغيرات للحفاظ على محتوى رطوبة متبقي ثابت.

يعد التجفيف بالأشعة تحت الحمراء والتجفيف الفراغي من التقنيات الجديدة في معالجة البلاستيك. يؤدي تطبيقها إلى تقليل وقت بقاء المواد بشكل كبير وتقليل استهلاك الطاقة. ومع ذلك، فإن عمليات التجفيف المبتكرة هذه مكلفة نسبيًا أيضًا. لذلك، في السنوات الأخيرة، تم بذل الجهود لتحسين كفاءة التجفيف بالغاز التقليدي لإزالة الرطوبة. وبالتالي، عند اتخاذ قرارات الاستثمار، لا بد من إجراء تقييم شامل للتكلفة، مع الأخذ في الاعتبار ليس فقط تكاليف المشتريات ولكن أيضًا الأنابيب والطاقة والمساحة والصيانة، من أجل تعظيم العائد على الاستثمار.