Trocknung mit überhitztem Wasserdampf

Reduzierter spezifischer Energieverbrauch

Die thermodynamischen Eigenschaften von überhitztem Dampf bieten gegenüber Heißluft einige Vorteile. Die spezifische Wärmekapazität, einer der für die Wärmeübertragung verantwortlichen Faktoren, ist doppelt so hoch wie die von Heißluft (*Wärmeübertragung unter gleichen Bedingungen hinsichtlich Masse und Temperaturunterschied). Zudem ist die Viskosität des Gases bei überhitztem Dampf dreimal niedriger als bei Heißluft. Die Viskosität des Gases ist für den Trocknungsprozess sehr wichtig, da sie die Geschwindigkeit der Gasdiffusion in den Kapillaren des Materials bestimmt. Dabei gilt: je niedriger die Viskosität, desto schneller die Gasdiffusion (Stokes-Einstein-Gleichung). Diese Vorteile tragen unter optimierten Trocknungsbedingungen zu einer Reduzierung des spezifischen Energieverbrauchs um 30 Prozent bei, abhängig von der Kapillarstruktur des Materials.

Durch Energierückgewinnung lässt sich der spezifische Energieverbrauch von SHS-Trocknungsprozessen weiter senken. Dabei kommen drei Optionen in Frage:

• Kondensation des überschüssigem Dampfs bei Atmosphärendruck: Die Verdampfungsenergie kann – auf einem niedrigeren Temperaturniveau (90–95 °C) – vollständig zurückgewonnen werden.
• Kopplung mit geschlossener Wärmepumpe: Eine Hochtemperatur-Wärmepumpe wird eingesetzt, um das Temperaturniveau der Kondensationswärme von 90 °C auf etwa 140–160 °C anzuheben und so den Trocknungsprozess mit Energie zu versorgen.
• Kopplung mit offener Wärmepumpe (mechanical vapor compression): Der überschüssige Dampf wird nicht direkt kondensiert, sondern zunächst auf ein höheres Druckniveau komprimiert. Erst dieser Hochdruckdampf wird kondensiert, um das Trocknungssystem mit Hochtemperaturwärme (140–160 °C) zu versorgen.

Keine Reaktionen mit Sauerstoff

Infolge der Abwesenheit von Luftsauerstoff sind Oxidationsprozesse am Trocknungsgut, welche zur Minderung der Produktqualität führen, ausgeschlossen. Eine Explosionsgefahr, welche die Bau- und Betriebsweise verkompliziert, besteht ebenso wenig.

Rückgewinnung von Energie und flüchtigen Substanzen

Die während des Trocknungsprozesses freiwerdende Verdampfungswärme wird dem System wieder zugeführt. Des Weiteren ist es möglich, mit dieser Kreislaufführung auch im Trocknungsgas freigesetzte volatile Substanzen (Aromastoffe, Lösemittel) zurückzugewinnen, beispielsweise durch Kondensation oder Brüden-Kompression.

Trocknung in der industriellen Produktion

Bei der Produktion, Aufbereitung oder Verarbeitung von Feststoffen stellt die Trocknung meist einen wesentlichen Prozessschritt dar. Dabei benötigt sie in vielen Fällen einen großen Anteil der im Produktionsprozess verbrauchten Energie sowie der benötigen Zeit und des Raumvolumens. Dies ist von Nachteil, zumal die Trocknung oftmals nur ein notwendiger, nicht aber wertschöpfender Teilprozess ist. Sie dient beispielsweise der Konservierung des Trocknungsgutes (Haltbarkeit, Stabilität von Lebensmitteln, Schlämmen, etc.) oder der Gewichtsreduzierung (Abfälle, Baustoffe, Schlämme, etc.). Gegebenenfalls muss auch das enthaltene Wasser zur Vorbereitung nachfolgender Verarbeitungsschrittes entfernt werden (Automobilindustrie, Kunststoffe, Textilindustrie, Lebensmittel, etc.).

Thermodynamik des Trocknungsprozesses

Unter Trocknung wird üblicherweise eine thermische Entfeuchtung verstanden, bei der die Feuchtigkeit durch einen Phasenwechsel von flüssigem Wasser zu Wasserdampf aus dem feuchten Gut entfernt wird. Je höher der Feuchtegehalt des Ausgangsmaterials, umso mehr Energie wird zur Trocknung benötigt. 

Der thermische Trocknungsprozess besteht aus drei wesentlichen Teilprozessen:

• der Wärmeübertragung von der Umgebung zum Feuchtgut hin,
• der Phasenumwandlung der Feuchtigkeit und
• dem Abtransport des entstehenden Dampfes durch Diffusion in die Umgebung.

Neben der Wärmeübertragung spielt bei der Trocknung auch die Stoffübertragung eine wesentliche Rolle. Üblicherweise werden bei industriellen Trocknungsprozessen unterschiedliche Effekte und Verfahren gezielt kombiniert, um für ein spezielles Produkt ein besonders geeignetes Trocknungsergebnis zu erhalten. Die Qualität des einzelnen Produktes mit seinem individuellen Trocknungsverhalten steht dabei immer im Vordergrund und daran muss sich der Prozess orientieren. Essenziell für ein erfolgreiches Trocknungsergebnis ist das Einbeziehen sekundärer verfahrenstechnischer Prozesse wie die Vor- und Nachbehandlung des Produktes, die Fördertechnik und die Strömungsführung.

Stand der Technik

Bei konvektiven Trocknungsverfahren wird die erforderliche thermische Energie mittels Gasstrom zugeführt. Konventionell wird Umgebungsluft durch die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehende Wärme auf eine gewünschte Temperatur gebracht. Im Einzelfall, wenn organische Lösungsmittel entfernt oder extrem zündfähige Feststoffe getrocknet werden sollen, wird die auf Stickstoff basierende inertisierte Kreisgasfahrweise eingesetzt. Die Kosten des Trocknungsverfahrens hängen unmittelbar vom notwendigen Gasmassenstrom und der erforderlichen Trocknungszeit ab; diese bestimmen die Größe des Trockners und der Peripherie.

Der Einsatz von überhitztem Dampf zur Trocknung bietet hervorragende Möglichkeiten, um den Trocknungsprozess im Hinblick auf Trockenzeit, Energieverbrauch und weitere Parameter insbesondere die Produktqualität zu optimieren.

Eigenschaften von überhitztem Dampf

Überhitzter Dampf unterscheidet sich im Hinblick auf die Trocknungseigenschaften von normaler Heißluft. Die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit sind höher als bei Luft, sodass deutlich geringere Trocknungszeiten möglich sind. Aufgrund der Abwesenheit von Luft und der geringen Dichte des Dampfes ist außerdem eine schnellere Diffusion bzw. Strömung des Gases zur Produktoberfläche und in die Poren möglich. Dies führt zu einer homogeneren und schnelleren Trocknung des Gutes. Dadurch können die Trocknungsanlagen im Vergleich zu Heißlufttrocknern kompakter und mit geringeren Investitionskosten gebaut werden. Aufgrund der schnelleren Trocknung sind die Wärmeverluste geringer und somit auch der Energieverbrauch und die Betriebskosten. Grundsätzlich ist es möglich, den Überschussdampf weiter zu verwenden, indem die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau (100–120 °C) für weitere Prozesse genutzt wird. Durch diese Maßnahme kann eine sehr gute Energieeffizienz im Gesamtenergiekonzept einer Industrieanlage erreicht werden. Brüdenkompressoren können ebenfalls eingesetzt werden, um die spezifische Enthalpie und somit die Temperatur wieder auf ein prozesstechnisch interessantes Niveau anzuheben.

Verfahrensprinzip

Das zu trocknende Material wird in die Atmosphäre aus überhitztem Dampf eingebracht, wo es durch Konvektion mit Wärme versorgt wird und infolgedessen die Feuchtigkeit verdampft. Durch Aufnahme des aus dem Material freigesetzten Wasserdampfs nimmt das Volumen des überhitzten Dampfes zu, während seine Temperatur sinkt, aber nicht in gesättigten Dampf übergeht. Da der überhitzte Dampf in einem geschlossenen Kreislauf rezirkuliert und wiedererwärmt wird, um die Temperatur auf das gewünschte Niveau anzuheben, wird die verdampfte Feuchtigkeit zu überschüssigem Dampf und wird zusammen mit flüchtigen Verbindungen aus der Trockenkammer abgeführt. Im Allgemeinen liegt die Betriebstemperatur bei der Trocknung mit überhitztem Dampf zwischen 130 und 200 °C.

Über den Dichteunterschied grenzt sich die Atmosphäre aus überhitztem Wasserdampf selbst gegen die Luftatmosphäre ab, dies verhindert gleichzeitig ein Nachströmen der Umgebungsluft. Installationen zur Abdichtung der Atmosphären, z. B. Schleusen, sind daher nicht erforderlich. Zur Trocknerbeschickung kann somit ohne Einschränkungen das Transportsystem gewählt werden, das für die Handhabung des jeweiligen Produktes am besten geeignet ist.

Das System ist nach oben geschlossen, nach unten jedoch atmosphärisch offen. Mit einer gezielten Abscheidung des überschüssigen Dampfs wird die Phasengrenzschicht zwischen überhitztem Wasserdampf und Umgebungsluft kontrolliert, um den Verlust an rückführbarer Energie durch den Austritt des überhitzten Wasserdampfes zu vermeiden. Grundsätzlich ist es möglich, den Überschussdampf, der eine vergleichbare Energiemenge wie die zugeführte latente Wärme enthält, weiterzuverwenden, indem die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau über 100 °C für weitere Prozesse genutzt wird. Durch diese Maßnahme kann eine höhere Energieeffizienz im Gesamtenergiekonzept einer Industrieanlage erreicht werden. 

Kopplung mit Wärmepumpe zur Abwärmerückgewinnung

Die Energieeffizienz lässt sich weiter steigern, indem der Trockner mit anderen Prozessen gekoppelt wird, bei denen Abwärme zur Verfügung steht. Der Vorteil von Wasserdampf besteht darin, dass seine Wärmekapazität doppelt so groß ist wie die von Heißluft. Das bedeutet, dass die Wärmeübertragung bei gleicher Masse und gleichem Temperaturunterschied besser ist. Aufgrund dieses thermodynamischen Vorteils kann das System auch mit Technologien zur Abwärmerückgewinnung wie einer Wärmepumpe oder einem organischen Rankine-Zyklus gekoppelt werden.

Bei der Röstung handelt es sich um eine Wärmebehandlung von pflanzlichen Lebensmitteln wie Nüssen, Kaffee- und Kakaobohnen, Getreide und Malz, bei der grundlegende physikalische und chemische Veränderungen in der Struktur und in der Zusammensetzung auftreten. Diese führen zu einer Bräunung sowie zur Entwicklung der typischen Aromen und Geschmacksrichtungen.

Anwendungsbeispiel Kaffee-Röstung

Bei der Röstung von Kaffee wurde überhitzter Wasserdampf bereits als Röstgas in unserem Vibrationsfließbetttrockner im Technikumsmaßstab eingesetzt und getestet. Durch die Kreislaufführung wurde der Abgasstrom auf das technologisch mögliche Minimum reduziert (50-mal kleinerer Abgasstrom gegenüber der Heißluftröstung) und somit nur das bei der Röstung freigesetzte Gas aus dem Prozess ausgekreist und auskondensiert. Das Kondensat wurde zur Abkühlung der Kaffeebohnen genutzt, um eine unkontrollierte Nachröstung zu verhindern. Da Aromastoffe einschließlich ätherischer Öle im Kondensat nachgewiesen wurden, arbeiten wir zurzeit daran, diese einzelnen Komponenten zu extrahieren.

Um 1 Kilogramm Kaffeebohnen zu rösten, werden rechnerisch 245 W thermische Energie benötigt. Bei der Röstung mit überhitztem Wasserdampf wird dieser theoretische Minimalwert nahezu erreicht. Das Röstverfahren mit überhitztem Wasserdampf wurde patentiert und am Vibrationsfließbetttrockner erfolgreich realisiert.

In der Atmosphäre aus überhitztem Wasserdampf und somit unter Sauerstoffabschluss wird holzartiges Material bei Temperaturen von 250 – 300 °C behandelt. Das vorhandene Wasser wird ausgetrieben, danach zersetzt sich zuerst die Hemizellulose und anschließend ein Teil der Cellulose und des Lignins.

Ziele bei der Torrefizierung sind die Erhöhung der massebezogenen Energiedichte und damit des Heizwerts des Rohmaterials, eine Steigerung der Transport- und Lagerfähigkeit, sowie eine Reduzierung des technischen Aufwands bei einem nachfolgenden Zermahlen oder Pelletieren. Das daraus resultierende Produkt gilt als ein idealer Zusatzbrennstoff für Kraftwerke mit Kohlestaubfeuerungen oder als Rohstoff für die biotechnische Raffinerie zur Herstellung von Chemieprodukten. Die flüchtigen Bestandteile, die sich während Torrefizierung entwickeln, können vorsepariert und weiter als Rohstoff für die Herstellung chemischer Grundbausteine verwertet werden.

Leistungsangebot im Überblick

• Wissenschaftliche Beurteilung, Beratung, Untersuchungen zu Aufgaben der Trocknung und des Wärmeübergangs
• Entwicklung eines an Ihre individuellen Bedürfnisse angepassten Anlagenkonzepts
• Prozessauslegung durch ein interdisziplinäres Team aus den Bereichen Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Chemie, Mikrobiologie und Elektrotechnik
• Machbarkeitsstudien an institutseigenen Labor-, Technikums- und Pilotanlagen
• Produktbezogene Beurteilung der Trocknung durch umfangreiche Analytik
• Konstruktive Spezifizierung des Prozesses und der Anlagenkomponenten, u. a. mit der integrierten Kombination aus 3D-CAD-Konstruktion und numerischer Simulation von Strömungen, Wärmeübertragung etc. mit neuester Software
  
• Begleitung unserer Kunden von den ersten Voruntersuchungen über die Realisierung der entwickelten Anlagenkonzepte bis zur Inbetriebnahme einer Anlage

Zusammenarbeit

Mit langjähriger Erfahrung auf dem Gebiet der Dampftrocknung verfügt das Fraunhofer IGB über umfassendes Know-how im Design und Bau von Prototypanlagen zur energieeffizienten Trocknung einer Vielzahl von Produkten – von mineralischen Baustoffen, über Düngemittel, Lebens- und Futtermittel bis hin zu Reststoffen.

Erste Machbarkeitsuntersuchungen mit Ihren Produkten realisieren wir mit unseren stationären oder mobilen Anlagen im Labor- und Technikumsmaßstab, die am Institut für die Entwicklung von Trocknungskonzepten für unterschiedlicher Produkte im Kundenauftrag zur Verfügung stehen. Dies umfasst auch die Ausstattung zur analytischen Bewertung der eingesetzten Verfahren. Eine Übersicht finden Sie im Reiter Ausstattung.

Bei der Entwicklung des industriellen Dampftrocknungsprozesses beraten wir Sie in allen technischen Belangen und begleiten die Umsetzung zusammen mit externen Anbietern. Für die Realisierung der entwickelten Anlagenkonzepte arbeiten wir mit einem Netzwerk qualifizierter Firmen des Maschinen- und Anlagenbaus zusammen. 

Besonderes Augenmerk legen wir auf Maßnahmen zur Energierückgewinnung, z. B. mit einer Wärmepumpe. Dabei können wir durch Modellierung/Simulation die erwarteten Betriebskosten (OPEX) berechnen und so das Energieeinsparpotenzial des geplanten Prozesses vorhersagen.

So begleiten wir industrielle Anwender von der Konzeptentwicklung über die prozesstechnische Auslegung und Anlagenfertigung bis zur Umsetzung der maßgeschneiderten Lösung im Betrieb.

• Trocknungsprozesse als Teilschritt in Ihrer Produktion benötigen.
• Rest- und Abfallströme trocknen wollen, beispielsweise zur Volumenreduktion.
• Wasser oder werthaltige Inhaltsstoffe bei der Trocknung zurückgewinnen möchten.

Wir freuen uns auf Ihren Anruf oder Ihre E-Mail. Gerne erörtern wir Ihre Fragestellungen in einem unverbindlichen Erstgespräch und erstellen Ihnen ein individuelles Angebot.