Chọn công nghệ sấy phù hợp

Việc sấy khô vật liệu là điều không thể tránh khỏi đối với mọi nhà chế biến nhựa. Điều này cũng rất quan trọng để tạo ra-sản phẩm chất lượng cao. Việc lựa chọn công nghệ sấy phù hợp giúp tiết kiệm chi phí, giảm tiêu hao năng lượng, việc đánh giá đúng công nghệ và chi phí sấy là điều cần thiết để lựa chọn công nghệ phù hợp.

Việc tăng hàm lượng nước dần dần làm giảm độ nhớt cắt của vật liệu. Trong quá trình xử lý, những thay đổi về đặc tính dòng chảy nóng chảy sẽ dẫn đến những thay đổi tương ứng về chất lượng sản phẩm và một loạt các thông số xử lý. Ví dụ, thời gian dừng quá dài có thể dẫn đến độ ẩm còn lại thấp, tăng độ nhớt, dẫn đến việc đổ đầy khuôn không hoàn toàn và vật liệu bị ố vàng. Hơn nữa, một số thay đổi về tính chất không thể quan sát trực tiếp mà chỉ có thể được phát hiện thông qua các thử nghiệm vật liệu có liên quan, chẳng hạn như những thay đổi về tính chất cơ học và độ bền điện môi.

Khi lựa chọn quy trình sấy, việc xác định đặc tính sấy của vật liệu là điều tối quan trọng. Vật liệu có thể được phân loại là hút ẩm hoặc không hút ẩm. Vật liệu hút ẩm hấp thụ độ ẩm từ môi trường xung quanh, trong khi vật liệu không- hút ẩm thì không. Đối với các vật liệu không{5}}hút ẩm, mọi hơi ẩm có trong môi trường vẫn tồn tại trên bề mặt, trở thành "độ ẩm bề mặt" dễ dàng bị loại bỏ. Tuy nhiên, các hạt được làm từ vật liệu không{7}} hút ẩm có thể bị hút ẩm do các chất phụ gia hoặc chất độn.

Hơn nữa, việc tính toán mức tiêu thụ năng lượng cho quá trình sấy khô có thể khác nhau tùy thuộc vào độ phức tạp của quá trình xử lý và các yếu tố khác, vì vậy số liệu trình bày ở đây chỉ mang tính chất tham khảo.

Sấy đối lưu

Đối với những vật liệu không{0}}hút ẩm, có thể sử dụng máy sấy khí nóng. Độ ẩm được liên kết lỏng lẻo bởi sức căng bề mặt giữa vật liệu và nước, giúp loại bỏ dễ dàng. Những máy này hoạt động bằng cách sử dụng quạt để hút không khí xung quanh và làm nóng nó đến nhiệt độ cần thiết để làm khô vật liệu cụ thể. Không khí nóng đi qua phễu sấy và làm nóng vật liệu thông qua sự đối lưu để loại bỏ độ ẩm.

Làm khô vật liệu hút ẩm thường bao gồm ba giai đoạn: giai đoạn đầu làm bay hơi độ ẩm bề mặt của vật liệu; giai đoạn thứ hai tập trung bay hơi vào bên trong vật liệu, tại đó tốc độ sấy giảm chậm trong khi nhiệt độ của vật liệu bắt đầu tăng; ở giai đoạn cuối, vật liệu đạt trạng thái cân bằng hút ẩm với khí sấy. Ở giai đoạn này, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài được loại bỏ. Vào cuối giai đoạn thứ ba, nếu vật liệu khô không còn thoát ra độ ẩm nữa thì điều này không có nghĩa là vật liệu đó-không còn hơi ẩm mà chỉ đơn giản cho thấy rằng trạng thái cân bằng đã được thiết lập giữa các hạt và môi trường xung quanh.

Trong công nghệ sấy, nhiệt độ điểm sương của không khí là một thông số quan trọng. Nhiệt độ điểm sương là nhiệt độ tại đó độ ẩm tương đối đạt 100% trong khi vẫn giữ độ ẩm của không khí ẩm không đổi. Nó đại diện cho nhiệt độ mà không khí đạt đến điểm ngưng tụ. Nói chung, điểm sương của không khí được sử dụng để sấy khô càng thấp thì độ ẩm còn lại càng thấp và tốc độ sấy càng chậm.

Hiện nay, phương pháp phổ biến nhất để sản xuất không khí khô là sử dụng máy tạo khí khô. Thiết bị này tập trung vào một máy sấy hấp phụ bao gồm hai sàng phân tử, nơi độ ẩm trong không khí được hấp thụ. Ở trạng thái sấy, không khí đi qua các sàng phân tử, chúng hấp thụ độ ẩm từ khí, cung cấp khí khử ẩm cho quá trình sấy. Ở trạng thái tái sinh, sàng phân tử được làm nóng đến nhiệt độ tái sinh bằng không khí nóng. Khí chảy qua các sàng phân tử sẽ thu thập độ ẩm bị loại bỏ và mang nó ra môi trường xung quanh. Một phương pháp khác để tạo ra khí khô là giảm áp suất của khí nén. Ưu điểm của phương pháp này là khí nén trong mạng lưới cung cấp có điểm sương áp suất thấp. Sau khi giảm áp suất, điểm sương của nó đạt khoảng 0 độ. Nếu cần điểm sương thấp hơn nữa, có thể sử dụng máy sấy màng hoặc máy sấy hấp phụ để giảm thêm điểm sương trong không khí trước khi áp suất khí nén giảm.

Trong quá trình sấy khô bằng không khí hút ẩm, năng lượng cần thiết để tạo ra khí khô phải được tính toán riêng. Trong quá trình sấy hấp phụ, rây phân tử tái sinh phải được gia nhiệt từ nhiệt độ trạng thái khô (khoảng 60 độ) đến nhiệt độ tái sinh (khoảng 200 độ). Điều này thường được thực hiện bằng cách đốt nóng liên tục khí đến nhiệt độ tái sinh thông qua sàng phân tử cho đến khi đạt đến nhiệt độ cụ thể khi ra khỏi sàng. Về mặt lý thuyết, năng lượng cần thiết để tái sinh bao gồm năng lượng cần thiết để làm nóng rây phân tử và nước hấp phụ bên trong nó, năng lượng cần thiết để khắc phục sự bám dính của rây phân tử với nước và năng lượng cần thiết để làm bay hơi độ ẩm và tăng nhiệt độ của hơi nước.

Nói chung, điểm sương thu được từ quá trình hấp phụ có liên quan đến khả năng mang theo nhiệt độ và độ ẩm của sàng phân tử. Thông thường, điểm sương từ 30 độ trở xuống cho phép sàng phân tử đạt được khả năng mang hơi ẩm là 10%. Nhu cầu năng lượng lý thuyết để sản xuất khí khô, tính từ các nguồn năng lượng, là 0,004 kWh/m³. Tuy nhiên, trong thực tế, giá trị này phải cao hơn một chút vì các tính toán không tính đến tổn thất quạt hoặc nhiệt. Bằng cách so sánh, có thể xác định được mức tiêu thụ năng lượng cụ thể của các loại máy tạo khí sấy khác nhau. Nói chung, mức tiêu thụ năng lượng để sấy khí hút ẩm là từ 0,04 kWh/kg đến 0,12 kWh/kg, tùy thuộc vào nguyên liệu và độ ẩm ban đầu. Trong vận hành thực tế có thể đạt 0,25 kWh/kg hoặc cao hơn.

Năng lượng cần thiết để làm khô hạt bao gồm hai phần: năng lượng cần thiết để làm nóng vật liệu từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ sấy và năng lượng cần thiết để làm bay hơi ẩm. Lượng khí cần thiết thường được xác định dựa trên nhiệt độ của khí sấy đi vào hoặc ra khỏi phễu sấy. Việc truyền nhiệt từ không khí khô ở nhiệt độ nhất định đến hạt thông qua đối lưu cũng là một quá trình sấy đối lưu.

Trong thực tế sản xuất, năng lượng tiêu thụ thực tế đôi khi cao hơn rất nhiều so với giá trị lý thuyết. Ví dụ, vật liệu có thể tồn tại trong phễu sấy quá lâu, dẫn đến lượng khí tiêu thụ lớn hơn để hoàn thành quá trình sấy hoặc khả năng hấp phụ của sàng phân tử có thể không được sử dụng hết. Một phương pháp khả thi để giảm nhu cầu về khí sấy và do đó giảm chi phí năng lượng là sử dụng phễu sấy hai{2}}bước. Ở loại thiết bị này, vật liệu ở phần trên của phễu sấy chỉ được làm nóng chứ không được sấy khô, do đó có thể đạt được nhiệt độ bằng cách sử dụng không khí xung quanh hoặc khí thải từ quá trình sấy. Sử dụng phương pháp này thường chỉ cần cung cấp 1/4 đến 1/3 lượng khí sấy thông thường cho phễu sấy, từ đó giảm chi phí năng lượng. Một phương pháp khác để cải thiện hiệu suất làm khô của khí hút ẩm là thông qua cặp nhiệt điện và quá trình tái sinh{10}có kiểm soát điểm sương, trong khi công ty Motan của Đức sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu để giảm chi phí năng lượng.

Sấy chân không

Hiện nay, sấy chân không cũng đã bước vào lĩnh vực gia công nhựa. Ví dụ, thiết bị sấy chân không do công ty Maguire của Mỹ phát triển đã được ứng dụng vào chế biến nhựa. Máy hoạt động liên tục này bao gồm ba buồng được gắn trên một băng tải quay. Trong buồng đầu tiên, sau khi các hạt được lấp đầy, khí được làm nóng đến nhiệt độ sấy sẽ được đưa vào để làm nóng các hạt. Tại cửa thoát khí, khi vật liệu đạt đến nhiệt độ sấy, nó được chuyển sang buồng thứ hai, được hút chân không. Vì chân không làm giảm nhiệt độ sôi của nước nên hơi ẩm dễ bay hơi hơn dưới dạng hơi nước, do đó đẩy nhanh quá trình khuếch tán hơi ẩm. Chân không cũng tạo ra sự chênh lệch áp suất lớn hơn giữa bên trong hạt và không khí xung quanh. Thông thường, vật liệu lưu giữ trong ngăn thứ hai trong 20-40 phút, nhưng đối với một số vật liệu có tính hút ẩm cao, có thể cần tới 60 phút. Cuối cùng, vật liệu được chuyển sang buồng thứ ba và lấy ra khỏi máy sấy.

Trong cả sấy khí hút ẩm và sấy chân không, năng lượng tiêu thụ khi làm nóng nhựa là như nhau vì cả hai phương pháp đều được thực hiện ở cùng nhiệt độ. Tuy nhiên, trong sấy chân không, bản thân sấy khí không tiêu tốn năng lượng mà cần có năng lượng để tạo ra chân không. Năng lượng tiêu thụ cần thiết để tạo chân không phụ thuộc vào lượng vật liệu được sấy khô và độ ẩm của nó.

Sấy hồng ngoại

Một phương pháp khác để sấy hạt là sấy hồng ngoại. Trong quá trình gia nhiệt đối lưu, độ dẫn nhiệt giữa khí và hạt, giữa các hạt và bên trong hạt rất thấp, do đó hạn chế rất nhiều sự truyền nhiệt. Sấy hồng ngoại, do các phân tử được chiếu xạ bởi ánh sáng hồng ngoại nên năng lượng hấp thụ được chuyển trực tiếp thành dao động nhiệt, nghĩa là vật liệu nóng lên nhanh hơn so với sấy đối lưu. So với sưởi ấm đối lưu, sấy hồng ngoại cũng liên quan đến độ dốc nhiệt độ ngược, bên cạnh sự chênh lệch áp suất cục bộ giữa không khí xung quanh và độ ẩm trong các hạt. Nói chung, chênh lệch nhiệt độ giữa khí sấy và các hạt được làm nóng càng lớn thì quá trình sấy càng nhanh. Thời gian sấy hồng ngoại thường là 5 đến 15 phút. Hiện nay, quy trình sấy hồng ngoại được thiết kế dưới dạng hệ thống ống quay, trong đó các hạt được vận chuyển và tuần hoàn dọc theo một ống xoắn ốc với một số bộ gia nhiệt hồng ngoại ở phần trung tâm. Trong sấy hồng ngoại, công suất thiết bị có thể được lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn từ 0,035 kWh/kg đến 0,105 kWh/kg.

Như đã đề cập trước đó, độ ẩm khác nhau trong vật liệu sẽ dẫn đến sự khác biệt về thông số quy trình. Nói chung, sự khác biệt về độ ẩm còn lại có thể là do tốc độ dòng chảy khác nhau của các vật liệu khác nhau; do đó, sự gián đoạn trong quá trình sấy hoặc khởi động và tắt máy sẽ gây ra sự khác biệt về thời gian lưu trú. Với tốc độ dòng khí cố định, sự thay đổi tốc độ dòng vật liệu thường biểu hiện dưới dạng thay đổi về đặc tính nhiệt độ và nhiệt độ khí thải. Các nhà sản xuất máy sấy đo lường những thay đổi này bằng các phương pháp khác nhau và điều chỉnh tốc độ dòng khí sấy với lượng vật liệu được sấy khô, từ đó điều chỉnh cấu hình nhiệt độ của phễu sấy để đảm bảo các hạt trải qua thời gian lưu trú ổn định ở nhiệt độ sấy.

Hơn nữa, việc thay đổi độ ẩm ban đầu trong vật liệu có thể dẫn đến sự mất ổn định về độ ẩm còn lại. Vì thời gian lưu trú là cố định nên sự thay đổi đáng kể về độ ẩm ban đầu chắc chắn sẽ dẫn đến sự thay đổi đáng kể tương tự về độ ẩm còn lại. Để đạt được độ ẩm dư ổn định, cần đo cả độ ẩm ban đầu và độ ẩm dư. Tuy nhiên, do độ ẩm dư thấp nên việc đo trực tuyến rất khó khăn và thời gian lưu lại lâu của vật liệu trong hệ thống sấy khô có thể gây ra các vấn đề về kiểm soát nếu độ ẩm dư được sử dụng làm tín hiệu đầu ra. Do đó, các nhà sản xuất máy sấy đã phát triển một khái niệm kiểm soát mới để đạt được độ ẩm dư ổn định. Khái niệm kiểm soát này nhằm mục đích duy trì độ ẩm dư ổn định bằng cách sử dụng các thông số quy trình như độ ẩm ban đầu của nhựa, điểm sương của khí vào và ra, tốc độ dòng khí và tốc độ dòng hạt làm biến đầu vào. Điều này cho phép hệ thống sấy khô điều chỉnh kịp thời dựa trên các biến số này để duy trì độ ẩm dư ổn định.

Sấy hồng ngoại và sấy chân không là những công nghệ mới trong chế biến nhựa. Ứng dụng của họ rút ngắn đáng kể thời gian lưu giữ vật liệu và giảm tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, những quy trình sấy cải tiến này cũng tương đối tốn kém. Vì vậy, trong những năm gần đây, người ta đã nỗ lực nâng cao hiệu quả của quá trình sấy khí hút ẩm truyền thống. Vì vậy, khi đưa ra quyết định đầu tư, cần tiến hành đánh giá chi phí kỹ lưỡng, xem xét không chỉ chi phí mua sắm mà còn cả đường ống, năng lượng, không gian và bảo trì để tối đa hóa lợi tức đầu tư.