Eine Stoffbilanz bewertet die Leistung eines kontinuierlichen Trommeltrockners durch die Verfolgung von Trockenmasse, Wasser und trockener Luft durch die Anlage. Im stationären Zustand bleibt das trockene Polymer oder der Feststoff vom nassen Aufgabegut bis zum getrockneten Produkt erhalten, während die aus dem Feststoff entfernte Feuchtigkeit in der feuchten Abluft erscheint. Der Vergleich dieser Komponenten-Massenströme bestimmt die Wasserverdampfung, den Feuchtigkeitsgehalt der Abluft, die Trocknungseffizienz und ob das gewählte Luft-Feststoff-Verhältnis angemessen ist.

Der Schlüssel liegt darin, den nichtflüchtigen Trockenfeststoff als Bezugskomponente (Tie-Component) zu verwenden. Sein Massenstrom bleibt im Trockner konstant, was die Berechnung des Produktstroms und der entfernten Wassermenge ermöglicht, selbst wenn eine direkte Messung der verdampften Feuchtigkeit oder der Abluftfeuchtigkeit schwierig ist.

Erstellung der Stoffbilanz für den Trockner

Systemgrenze definieren

Zeichnen Sie die Bilanz um den gesamten Trommeltrockner, einschließlich der Zufuhr des nassen Feststoffs, des Einlasses für erhitzte Trockenluft, des getrockneten Feststoffprodukts und des Auslasses für feuchte Abluft.

Für einen kontinuierlichen stationären Betrieb lautet die allgemeine Bilanz:

[ \text{Gesamtmasse Eingang}=\text{Gesamtmasse Ausgang} ]

Es findet keine Akkumulation innerhalb des Trockners statt, wenn Zufuhrraten, Temperaturen und Auslassbedingungen konstant bleiben.

Bilanzkomponenten identifizieren

Die Hauptkomponenten sind:

Trockenmasse (Feststoff oder Polymer)
Wasser
Trockene Luft

Der Trockenfeststoff verbleibt normalerweise im Produkt. Wasser gelangt mit dem nassen Aufgabegut in den Prozess und verteilt sich auf die Restfeuchte im Produkt und die verdampfte Feuchtigkeit, die mit der Abluft abgeführt wird.

Trockene Luft tritt mit dem Heißluftstrom ein und verlässt ihn mit der Abluft. Sie wird im Allgemeinen als nicht kondensierbar behandelt und über den Trockner hinweg bilanziert.

Verwendung von Trockenmasse als Bezugskomponente

Anwendung der Trockenmassebilanz

Sei:

(\dot m_F) = Massenstrom des nassen Aufgabeguts
(x_{s,F}) = Massenanteil der Trockenmasse im Aufgabegut
(\dot m_P) = Massenstrom des Produkts
(x_{s,P}) = Massenanteil der Trockenmasse im Produkt

Die Trockenmassebilanz lautet:

[ \dot m_F x_{s,F}=\dot m_P x_{s,P} ]

Daher ist der Produktmassenstrom:

[ \dot m_P=\frac{\dot m_F x_{s,F}}{x_{s,P}} ]

Diese Berechnung ist nützlich, da der Trockenfeststoff nicht in den Luftstrom verdampft. Sein Massenstrom bietet eine stabile Referenz, selbst wenn der Abluftstrom nur schwer genau zu messen ist.

Berechnung des entfernten Wassers

Das mit dem Aufgabegut eintretende Wasser beträgt:

[ \dot m_{w,F}=\dot m_F(1-x_{s,F}) ]

Das mit dem Produkt austretende Restwasser beträgt:

[ \dot m_{w,P}=\dot m_P(1-x_{s,P}) ]

Die Verdampfungsrate ist dann:

[ \dot m_{w,\text{evap}}=\dot m_{w,F}-\dot m_{w,P} ]

Diese Rate stellt die Feuchtigkeit dar, die vom Feststoff in die Abluft übergegangen ist, unter der Annahme, dass keine Leckagen, Kondensatauslässe oder andere wasserhaltige Ströme vorhanden sind.

Bestimmung der Abluftfeuchtigkeit

Anwendung der Bilanz für trockene Luft

Sei:

(\dot m_{da}) = Massenstrom der trockenen Luft
(Y_{\text{out}}) = Massenverhältnis von Wasserdampf zu trockener Luft in der Abluft

Die Bilanz für die Komponente trockene Luft lautet:

[ \dot m_{da,\text{in}}=\dot m_{da,\text{out}} ]

Wenn das Luftsystem keine Bypässe oder Leckagen aufweist, entspricht der in den Trockner eintretende Luftstrom dem austretenden Luftstrom.

Berechnung des Beladungsverhältnisses der Abluft

Die Wasserbilanz über den Gasstrom lautet:

[ \dot m_{w,\text{evap}}

\dot m_{da}Y_{\text{out}}

\dot m_{da}Y_{\text{in}} ]

Die Auflösung nach dem Beladungsverhältnis der Abluft ergibt:

[ Y_{\text{out}}

Y_{\text{in}} + \frac{\dot m_{w,\text{evap}}}{\dot m_{da}} ]

Bei ausreichend trockener Zuluft kann (Y_{\text{in}}) klein sein, sollte aber nicht ignoriert werden, wenn die Zuluftfeuchtigkeit für das Ergebnis wesentlich ist.

Der Massenanteil von Wasser in der Abluft ist:

[ w_{w,\text{out}}

\frac{Y_{\text{out}}}{1+Y_{\text{out}}} ]

Dies ist der Gewichtsanteil der Feuchtigkeit im feuchten Abluftstrom. Er kann mit gemessener Feuchtigkeit, Feuchtkugeltemperatur, Taupunkt oder psychrometrischen Daten verglichen werden.

Bewertung der Feuchtigkeitsentfernungsleistung

Messung der Feuchtigkeitsreduktion im Feststoff

Die Feuchtigkeitsgehalte von Aufgabegut und Produkt zeigen, wie effektiv der Trockner die Feuchtigkeit im Feststoff reduziert:

[ \text{Feuchtigkeitsreduktion}

x_{w,F}-x_{w,P} ]

wobei (x_{w,F}) und (x_{w,P}) die Massenanteile von Wasser im Aufgabegut bzw. Produkt sind.

Ein nützlicheres Prozessmaß ist der Anteil des eintretenden Wassers, der entfernt wurde:

[ \text{Wasserentfernungseffizienz}

\frac{\dot m_{w,\text{evap}}}{\dot m_{w,F}} ]

Dies unterscheidet die tatsächlich verdampfte Wassermenge von der Gesamtmenge, die mit dem Aufgabegut eintrat.

Vergleich von berechneten und gemessenen Werten

Die berechnete Abluftfeuchtigkeit sollte mit direkten Messungen aus der Pilotanlage überprüft werden. Relevante Beobachtungen umfassen:

Feucht- und Trockenkugeltemperaturen
Taupunkt
Luftmassenstrom
Massenströme von Aufgabegut und Produkt
Feuchtigkeitsgehalte von Aufgabegut und Produkt
Luftdruck am Ein- und Auslass

Die Übereinstimmung zwischen dem Ergebnis der Stoffbilanz und der gemessenen Abluftfeuchtigkeit stützt die Gültigkeit der Annahme des stationären Zustands und der Instrumentenablesungen.

Bewertung des Luft-Feststoff-Verhältnisses

Der erforderliche Trockenluftstrom pro Einheit Trockenmasse ist:

[ \text{Luft-Feststoff-Verhältnis}

\frac{\dot m_{da}}{\dot m_F x_{s,F}} ]

Dieses Verhältnis hilft zu bestimmen, ob genügend trockene Luft vorhanden ist, um die verdampfte Feuchtigkeit abzuführen.

Ein niedriges Luft-Feststoff-Verhältnis kann zu sehr feuchter Abluft führen und die Trocknungskapazität begrenzen. Ein hohes Verhältnis kann die Feuchtigkeitsaufnahmekapazität verbessern, aber die Heiz-, Ventilator- und Abluftverluste erhöhen.

Interpretation von Daten aus der Pilotanlage im stationären Zustand

Wahl einer konsistenten Berechnungsbasis

Bilanzen können basieren auf:

Einer festgelegten Betriebszeit, z. B. einer Stunde
Einem gemessenen Massenstrom des nassen Aufgabeguts
Einem festen Durchsatz an Trockenmasse
Einer chargenäquivalenten Menge für den Vergleich zwischen Versuchen

Die Basis muss konsistent auf jeden Strom angewendet werden. Das Mischen von Raten für nasses Aufgabegut mit Raten für Trockenmasse ohne Umrechnung der Zusammensetzungsbasis führt zu falschen Ergebnissen.

Bestätigung des stationären Zustands

Eine Bilanz ist am zuverlässigsten, nachdem der Trockner einen stabilen Betrieb erreicht hat. Bediener sollten dem System Zeit geben, sich dem stationären Zustand zu nähern, bevor Daten für Leistungsberechnungen verwendet werden.

Aufgaberate, Luftstrom, Abluftfeuchtigkeit und Temperaturen sollten über das Messintervall hinweg einigermaßen stabil sein. Während des Anfahrens oder bei sich ändernden Bedingungen muss die Akkumulation im Trockner einbezogen werden:

[ \text{Eingang}-\text{Ausgang}

\text{Akkumulation} ]

Verwendung der Bilanz zur Diagnose der Anlage

Eine Diskrepanz in der Stoffbilanz kann auf Folgendes hinweisen:

Falsche Wägung von Aufgabegut oder Produkt
Nicht repräsentative Feuchtigkeitsproben
Leckagen oder Bypässe in der Abluft
Kondensation nachgeschaltet
Feststoffmitriss in der Abluft
Änderung des Materialbestands (Holdup) in der Trommel
Instabile Betriebsbedingungen

Die Bilanz ist daher mehr als nur eine Berechnung der Verdampfung. Sie ist auch ein diagnostischer Test für die Pilotanlage.

Verständnis der Zielkonflikte

Die Annahme der Bezugskomponente hat Grenzen

Trockenfeststoffe sind nur dann eine gültige Bezugskomponente, wenn sie nicht verdampfen, reagieren, sich in einen anderen Strom lösen oder durch einen nicht gemessenen Auslass austreten.

Feine Partikel, die mit der Abluft ausgetragen werden, können die Trockenmassebilanz auf der Produktseite inkonsistent erscheinen lassen. Zyklon- oder Filterverluste müssen einbezogen werden, wenn sie signifikant sind.

Abluftfeuchtigkeit hängt von der Genauigkeit des Luftstroms ab

Das berechnete Beladungsverhältnis hängt direkt vom Massenstrom der trockenen Luft ab:

[ Y_{\text{out}}

Y_{\text{in}} + \frac{\dot m_{w,\text{evap}}}{\dot m_{da}} ]

Ein Fehler im Luftstrom verändert daher die abgeleitete Abluftfeuchtigkeit. Luftleckagen, ungenaue Durchflussmesser und Schwankungen der Luftdichte durch Temperatur oder Druck können das Ergebnis beeinflussen.

Eine Massenbilanz allein beweist keine gute Trocknung

Eine Bilanz kann zeigen, wohin das Wasser gegangen ist, aber sie erklärt nicht vollständig, warum sich die Trocknungsleistung geändert hat. Temperatur, Verweilzeit, Partikelgröße, Feststoffmischung, Gleichgewichtsfeuchte und Luftfeuchtigkeit beeinflussen ebenfalls die Endfeuchte des Produkts.

Ein Produkt kann ein Feuchtigkeitsziel erreichen, während es übermäßig viel Energie verbraucht oder mehr Luft als nötig verwendet. Die Ergebnisse der Stoffbilanz sollten daher zusammen mit Energie- und Betriebsdaten interpretiert werden.

Feuchtigkeitsdefinitionen müssen getrennt gehalten werden

Das Beladungsverhältnis (Y) ist die Masse an Wasserdampf pro Masse trockener Luft. Der Wasser-Massenanteil (w_w) ist die Masse an Wasser dividiert durch die gesamte Masse der feuchten Luft.

Sie sind wie folgt verknüpft:

[ w_w=\frac{Y}{1+Y} ]

Die Verwechslung dieser beiden Größen ist eine häufige Quelle für Berichtsfehler bei Trocknungsexperimenten.

Anwendung auf Ihre Pilotanlage

Beginnen Sie mit der gemessenen Zusammensetzung von Aufgabegut und Produkt, dem Trockenluftstrom und der Zuluftfeuchtigkeit, und lösen Sie dann die Komponentenbilanzen auf einer gemeinsamen Zeitbasis.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Feuchtigkeitsentfernung liegt: Verwenden Sie die Trockenmassebilanz, um den Produktstrom zu berechnen, und vergleichen Sie das Wasser im Aufgabegut mit dem Restwasser im Produkt, um die Verdampfungsrate zu bestimmen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Charakterisierung der Abluft liegt: Kombinieren Sie die Verdampfungsrate mit der Bilanz für trockene Luft, um das Beladungsverhältnis am Auslass und den Wasser-Massenanteil der Abluft zu berechnen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Optimierung des Luftverbrauchs liegt: Setzen Sie den Trockenluftstrom in Beziehung zum Durchsatz an Trockenmasse und vergleichen Sie das resultierende Luft-Feststoff-Verhältnis mit der Abluftfeuchtigkeit und der Produktfeuchte.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Validierung der Pilotanlage liegt: Vergleichen Sie berechnete und gemessene Stromwerte und untersuchen Sie jede Unausgewogenheit als Hinweis auf Leckagen, Mitriss, Kondensation, Probenahmefehler oder instabilen Betrieb.

Eine korrekt erstellte Stoffbilanz verwandelt routinemäßige Messungen in der Pilotanlage in eine belastbare Bewertung der Feuchtigkeitsentfernungsleistung eines Trommeltrockners.

Zusammenfassungstabelle:

Schlüsselelement	Unterstützung bei der Trocknerbewertung
Trockenmassebilanz	Berechnet den Produktstrom unter Verwendung nichtflüchtiger Feststoffe als Bezugskomponente.
Wasserbilanz	Bestimmt die Feuchtigkeit im Aufgabegut, die Restfeuchte im Produkt und die Verdampfungsrate.
Bilanz für trockene Luft	Bestätigt die Erhaltung der trockenen Luft durch den Trockner.
Abluftfeuchtigkeit	Berechnet das Beladungsverhältnis am Auslass und den Wasseranteil in der feuchten Luft.
Wasserentfernungseffizienz	Misst den Anteil der verdampften Feuchtigkeit aus dem Aufgabegut.
Luft-Feststoff-Verhältnis	Beurteilt, ob die Luftzufuhr die verdampfte Feuchtigkeit abführen kann.
Bilanzdiskrepanz	Hilft bei der Identifizierung von Leckagen, Mitriss, Kondensation, Probenahmefehlern oder instabilem Betrieb.
Betriebsbeschränkungen	Hebt die Auswirkungen von Verweilzeit, Temperatur, Partikelgröße und Gleichgewichtsfeuchte hervor.

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