Merkmale und Nachteile von Doppelkegel-Vakuumtrocknungsanlagen

1 Übersicht

Der Doppelkegel-Vakuumtrockner (im Folgenden Doppelkegel genannt) ist ein seit Langem bewährter, dynamischer Vakuumtrockner mit indirekter Beheizung und zeichnet sich durch seine energiesparende Trocknungstechnik aus. Der Vakuumkegel wird von einem Antriebsmechanismus um 360° bewegt. Die Rotation fördert die Durchmischung des Trocknungsguts im Kegel und die Kontaktbeheizung der Heizfläche. Die kontinuierliche Durchmischung bewirkt eine Selbstreinigung der Heizfläche. Der entstehende Temperaturunterschied ist zudem für die Trocknung vieler wärmeempfindlicher Materialien bei niedrigen Temperaturen sehr vorteilhaft.

Der Doppelkonus arbeitet unter Vakuum ohne Zufuhr weiterer Inertgase, was die Verdampfung und Trocknung von Materialien mit verschiedenen organischen Lösungsmitteln sowie die Rückgewinnung der Lösungsmittel mit hoher Ausbeute optimal begünstigt. Die spezielle Form des Doppelkonus ermöglicht die saubere und schnelle Entladung des Trockenguts – ein Betriebsvorteil, der mit keinem anderen Trocknertyp vergleichbar ist.

Der Doppelkonus eignet sich zum Trocknen verschiedener loser Materialien ohne Anhaften an den Wänden. Da der Abgasfilter im Inneren des Konus am Vakuumsaugrohr angebracht ist, wird der Verlust von durch das Abgas mitgerissenem Produktstaub reduziert und die Trocknungsausbeute erhöht.

Das System ermöglicht das gleichzeitige Be- und Entladen in geschlossener Form, wodurch Betriebsverschmutzung und Staubentwicklung beim Entladen vermieden werden. Die dynamische Trocknungseffizienz des Doppelkegeltrockners ist deutlich höher als die verschiedener Scheibentrocknungsverfahren.

Die Doppelkegeltrocknung weist jedoch auch einige Nachteile auf. Erstens eignet sie sich nur für die intermittierende Trocknung.

Aufgrund der Verwendung von mechanischen Reibungsvakuumdichtungen lässt sich Verschleiß und Fremdkörperbildung an der Dichtung während der Trockenreibung nicht vermeiden. Tritt ein Vakuumleck auf, werden Verschleiß und Fremdkörper in den Doppelkonus gesaugt und vermischen sich mit dem zu trocknenden Produkt. Handelt es sich bei dem Produkt um ein Arzneimittel, wird dieses verunreinigt, wodurch ein wirksames Medikament unbrauchbar wird und die Gesundheit der Patienten gefährdet wird.

Der Doppelkegel ist ein Trockner mit Mantelheizung. Betrachtet man den Doppelkegel als Kugel, so vergrößert sich seine Heizfläche F (m²) proportional zum Quadrat des Kugeldurchmessers D (mm), während sich sein Volumen V (m³) proportional zur dritten Potenz des Kugeldurchmessers D (mm) vergrößert. Daher ist die Vergrößerung der Heizfläche deutlich geringer als die Volumenvergrößerung.

Infolgedessen gerät das Verhältnis der Heizfläche F(rfl) zum Volumen V(m) des Doppelkegels mit zunehmendem Durchmesser D (iTlm) aus dem Gleichgewicht, wodurch der F/V-Wert des kleinen Doppelkegels deutlich größer ist als der des großen. Beispielsweise ist der F/V-Wert eines 5 m großen Doppelkegels etwa halb so groß wie der eines 0,3 m großen Doppelkegels, nämlich etwa 3,6 m/m. Bei einer Volumenzunahme des Doppelkegels auf 10 m³ sinkt sein F/V-Wert auf 2,5 m/m.

Wie der Name schon sagt, wird die Doppelkegel-Vakuumtrocknungsanlage zum Erhitzen und Trocknen eingesetzt, und ihre Hauptfunktion sollte sich in der Heiz- und Trocknungseffizienz oder der Größe der Wärmeaustauschfläche widerspiegeln.

Das Volumen ist im Vergleich zu anderen Faktoren von untergeordneter Bedeutung. Dennoch wird derzeit bei fast allen Produktmustern von Doppelkegeltrocknern das Volumen zur Kennzeichnung der Spezifikationen verwendet. Dadurch werden die Anwender – bewusst oder unbewusst – von den Herstellern von Doppelkegeltrocknern irregeführt. Denn vielen Anwendern ist nicht bewusst, dass sich das Verhältnis von Volumen zu Durchfluss (F/V) bei der bikonischen Vergrößerung regelmäßig ändert.

Es herrscht ein weit verbreitetes Missverständnis, dass Doppelkegeltrockner mit großem und kleinem Volumen eine vergleichbare Trocknungseffizienz aufweisen. Oftmals wird ein großvolumiger Doppelkegeltrockner angeschafft, dessen Trocknungseffizienz jedoch deutlich geringer ist als die eines im Testbetrieb ermittelten kleinen Doppelkegeltrockners. Da sich die Trocknungseffizienz verdoppelt hat und die gewünschte Produktionsmenge nicht erreicht wird, muss ein weiterer großvolumiger Doppelkegeltrockner angeschafft werden.

Es erhöhte nicht nur die Investitionen und die Anbaufläche, sondern verzögerte auch den Produktionsplan.

Die Trocknungstemperatur vieler wärmeempfindlicher Produkte liegt unter 100 °C, und viele dieser Produkte werden noch immer getrocknet. Da heißes Wasser mit einer Temperatur von ca. 100 °C als Wärmequelle verwendet wird, sind Hilfseinrichtungen wie ein Warmwasserspeicher, eine Warmwasserpumpe und Warmwasserleitungen erforderlich. Die Erwärmung von heißem Wasser mittels fühlbarer Wärme erfordert eine Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auslass. Im Vergleich zur Erwärmung mit latenter Dampfwärme ist diese Temperaturdifferenz naturgemäß geringer, was für die Niedertemperaturbeheizung bei hoher Wärmeempfindlichkeit sehr ungünstig ist.

Der Wärmeübergangskoeffizient bei Warmwasserheizungen ist wesentlich niedriger als bei Sattdampfheizungen, und die Konstruktion von Mantelheizungen mit Warmwasser ist zudem komplizierter als die von Dampfheizungen, was nicht nur die Investitionskosten für die Anlagen erhöht, sondern auch die Betriebsführung erschwert.

Durch das kontinuierliche Mischen und Rotieren des Trockenmaterials im Doppelkegel können Produkte mit feinen Kristallen und hohem Wassergehalt, wie beispielsweise Riboflavin, Acetylspiramycin und andere, während des Mischvorgangs leicht Pellets unterschiedlicher Größe bilden. Sobald sich die Pellets gebildet haben, ist eine vollständige Trocknung schwierig.

Doppelkegel sind prinzipiell nicht geeignet für Materialien, die während des Trocknungsprozesses Pellets bilden.

Der Doppelkegeltrockner ist ein dynamischer Trockner, der sich mit einem Heizkessel (Heizmantel) ständig dreht. Herkömmliche Doppelkegeltrockner mit großem Durchmesser zeichnen sich durch einen großen Kegelliner und eine dicke Außenwand des Heizmantels aus.

Der Innentank des Kegels besteht in der Regel aus Edelstahl, während die Außenwand des Mantels aus Kohlenstoffstahl gefertigt ist. Der Durchmesser des großen Doppelkegels (2–10 m) beträgt 1600–2600 mm, die Wandstärke des Innentanks 8–14 mm und die Wandstärke des Außenmantels ist deutlich größer. Bekanntermaßen ist der Wärmewiderstand von Edelstahl fünfmal höher als der von Kohlenstoffstahl. Eine dicke Edelstahlauskleidung beeinträchtigt den Wärmeaustausch des Kegels und reduziert somit die Heiz- und Trocknungseffizienz des Doppelkegels. Der Betrieb einer schweren Auskleidung erfordert naturgemäß eine höhere Leistung des Antriebsmotors.

Die Außenhülle des Doppelkegels ist dicker und schwerer, was den Energieverbrauch des Antriebsmotors erhöht. Da der Doppelkegel jährlich Tausende von Stunden läuft, ist die Frage, wie der Langzeitbetrieb des Doppelkegels optimiert werden kann, um Energie zu sparen und den Verbrauch zu reduzieren, weltweit ein zentrales Forschungsthema im Bereich der Energieeinsparung. Die bisher vernachlässigte Anlagenstruktur und die verwendeten Materialien verdienen daher eine eingehende Untersuchung und Diskussion.

Die folgende Diskussion basiert auf Doppelkegeln ohne GMP-Anforderungen.

2 Vergrößerung des Bikonus

Mit der Entwicklung feinchemischer Produkte steigt der Bedarf an einem Doppelkegel mit verbesserter Effizienz und größerer Größe.

Bei einem traditionellen großflächigen Doppelkegel steht die enorme Körperform in keinem Verhältnis zur darin enthaltenen Heizfläche. Die Heizfläche eines 5 m großen Doppelkegels beträgt nur 18 m², und der F/V-Wert liegt bei 3,6 m/m, während der F/V-Wert des 10 m großen Doppelkegels weiter auf 2,5 m/m gesunken ist. Es ist daher nicht übertrieben zu sagen, dass der Doppelkegel außen stark und innen trocken ist.

Die Vergrößerung des Doppelkegel-Vakuumtrockners bedeutet natürlich auch eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche. Glücklicherweise bietet der Kegel viel nutzbaren Raum, und die optimale Nutzung dieses Raums ist der Schlüssel.

Im Hinblick auf die Reinigung der Anlage ist eine möglichst einfache Oberfläche des Wärmetauscherelements von Vorteil. Daher wurde eine dünne, hohle Heizplatte mit c,Di-Profil gewählt, die die Anforderungen an eine glatte Oberfläche, einfache Reinigung und kompakte Bauweise erfüllt. Am Beispiel eines 10 m langen Doppelkegels lässt sich zeigen, dass eine dünne Innenheizplatte im großen Kegelraum entlang der Materialflussrichtung installiert werden kann. Dies ermöglicht die Reinigung und notwendige Wartungsarbeiten, beispielsweise durch einen Abstand von 110–160 mm zwischen den Innenheizplatten. Im Allgemeinen kann die Fläche der Innenheizplatte um das 1,5- bis 3-Fache gegenüber der ursprünglichen Kegelheizfläche vergrößert werden, wodurch die F- und V-Werte des Doppelkegels auf 0,2 m erhöht werden können.

Ein ähnlicher Wert von 9,0 m/m ergibt sich für den kleinen Doppelkegel. Insbesondere beträgt die Dicke der inneren Heizplatte weniger als ein Drittel der Kegeldicke, wodurch sich die Heizfläche verdoppelt und der Wärmewiderstand deutlich reduziert. Dadurch ist die Trocknungseffizienz des vergrößerten Doppelkegels mehr als zwei- bis dreimal so hoch wie die des herkömmlichen Doppelkegels. Die innere Struktur des 10 m langen Doppelkegels nach dem Einbau der inneren Heizplatte ist in Abbildung 1 dargestellt.

Veranschaulicht durch Abbildung 1, 10 m.

Der Durchmesser des Kegels beträgt 2.600 mm. Auf beiden Seiten des Wartungskanals mit einer Breite von 600 mm befinden sich 7 innere Heizplatten von Nr. l bis ≠}7, insgesamt 14. Die Gesamtfläche der inneren Heizplatte beträgt F = 56 m², ihre Dicke 40 mm und ihr Gesamtvolumen V = 2,2 m³. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden inneren Heizplatten beträgt d = 200 mm, der tatsächliche Spalt zwischen ihnen 160 mm. Die Heizfläche des Kegelmantels ist bekannt als F = 29,6 m². Die Gesamtheizfläche des 10 m langen Doppelkegels beträgt somit F = 85,6 m². Das Volumen des Kegels ist bekannt als V = 12,1 m³. Das tatsächliche Volumen des Kegels nach Abzug der inneren Heizplatte beträgt V = 9,9 m³. Daraus ergibt sich ein F/V-Wert von 8,6 m/m³ für den neuen Doppelkegel, der sehr nahe an dem Wert von 9,0 m/m³ des kleinen 0,2 m langen Doppelkegels liegt. Der F/V-Wert des 10 1TI Doppelkegels ohne innere Heizplatte beträgt 2,5 l/m. Nach dem Hinzufügen der inneren Heizplatte ist der F/V-Wert des 10 1TI mehr als dreimal so hoch wie ohne (siehe Abbildung 2). Durch die Steigerung des F/V-Werts kann die Trocknungsleistung eines neuen Doppelkegels der Leistung von drei herkömmlichen Trocknungsanlagen entsprechen. Der Antriebsmotor des Doppelkegels kann pro Stunde etwa 60 kWh Energie einsparen.

3 Vergleich der Einsparung von Edelstahl durch Hinzufügen einer inneren Heizplatte mit großem Doppelkegel

Nehmen wir weiterhin 10 m³ (tatsächliches Betriebsvolumen) als Beispiel. Die Gesamtabmessungen des 10 m³ großen Doppelkegels betragen 2600 × 3600 mm (Gesamthöhe). Gemäß der obigen Beschreibung beträgt die Fläche des Heizmantels des Doppelkegels F = 29,6 in² und die Gesamtfläche der inneren Heizplatte F = 56 in². Bei einer Wandstärke des Doppelkegels von 14 mm und einer Wandstärke der inneren Heizplatte von 3 mm wiegt das Edelstahlmaterial des Doppelkegels 3,3 t und das Edelstahlmaterial der inneren Heizplatte 1,34 t.

Es zeigt sich, dass der Doppelkegel 111,4 kg Edelstahl pro Quadratmeter benötigt, während die Heizplatte nur 24 kg Edelstahl pro Quadratmeter benötigt. Das bedeutet, dass der Edelstahlverbrauch pro Quadratmeter Heizfläche des Doppelkegels gleich ist. Die Heizfläche der inneren Heizplatte ist jedoch 4,6-mal größer. Betrachtet man allein die Heizfläche (ca. IE4) des bestehenden großflächigen, herkömmlichen Doppelkegels und den hohen Edelstahlverbrauch, so ist der Kegel hohl. Daher ist es zwar möglich, die innere Heizplatte zu vergrößern, aber auch unbedingt notwendig, um die negativen Auswirkungen der Kegelwandstärke auszugleichen.

4. Strukturelle Verstärkung der inneren Heizplatte

Die herkömmliche, hohle und dünne innere Heizplatte muss durch Punktschweißen verstärkt werden. Da die Wandstärke der inneren Heizplatte nur 2–3 mm beträgt, müssen beide Seiten der hohlen Heizplatte gebohrt werden. Es ist schwierig, die Nut in der dünnen Platte exakt nach den Schweißvorgaben zu bearbeiten. Insbesondere die für die pharmazeutische GMP-Produktion erforderliche Heizplatte muss nach dem Schweißen geschliffen und poliert werden. Dadurch entstehen in vielen Punktlötverbindungen winzige Schwachstellen, die bei späteren Produktionsvorgängen durch lokale Risse plötzlich zum Bruch der gesamten Heizplatte führen können.

Bei der herkömmlichen Dünnblech-Verstärkungskonstruktion mit Stopfenschweißung besteht die Gefahr, dass solche versteckten Gefahren entstehen.

Wir haben aus unseren Fehlern gelernt und die zerstörungsfreie Schweißtechnik zur Verstärkung der neuen doppelkonischen Innenheizplattenstruktur angewendet. Dadurch entfällt das Stanzen von Löchern in die doppelseitige Grundplatte der Innenheizplatte, wodurch die Nachteile des Lochschweißens vermieden werden. Dies beseitigt die praktische Schwierigkeit der Bearbeitung der für die bikonische Vergrößerung notwendigen Innenheizplatte.

5. Problem der Wärmequelle bei niedriger Temperatur (100 °C) des Doppelkegels

Bei der Trocknung wärmeempfindlicher Produkte mit dem Doppelkegel kommt traditionell die Heißwasser-Erwärmungsmethode zum Einsatz.

Die Warmwasserbereitung erfordert nicht nur eine ganze Reihe sperriger Warmwasserspeicher, Pumpen und Rohrleitungen, sondern aufgrund der fühlbaren Wärme des Warmwassers muss auch ein Temperaturunterschied zwischen Ein- und Auslass bestehen. Der natürliche Erwärmungs- und Trocknungseffekt am Warmwasserauslass ist deutlich geringer als am Warmwassereinlass. Dieser Temperaturunterschied ist für die Trocknung sehr ungünstig.

Wird der großflächige Doppelkegel weiterhin mit Heißwasser beheizt, steigt der Wärmebedarf aufgrund der erheblichen Belastungssteigerung der Trocknungsanlage deutlich an. Dies beeinträchtigt deren Effizienz erheblich. Wird hingegen Sattdampf als Wärmequelle verwendet, so ist gewährleistet, dass der Dampf im Heizmantel des Doppelkegels rechtzeitig kondensiert und das Wasser abgepumpt werden kann, sofern Temperatur und Druck im Heizmantel des Doppelkegels streng kontrolliert werden, um die für die Heiztemperatur erforderlichen physikalischen Parameter des Sattdampfs zu erfüllen.

Der gesättigte Wasserdampf mit einem Druck von 0,2 MPa kann direkt als Wärmequelle für die Niedertemperaturheizung des Doppelkegels genutzt werden. Da der Innenraum des großflächigen Doppelkegelmantels viel Platz bietet und sich beim Starten des Fahrzeugs große Mengen an Inertgas darin befinden (insbesondere in der inneren Heizplatte), die abgeführt werden müssen, um den normalen Betrieb nicht ernsthaft zu beeinträchtigen, wird anschließend gesättigter Wasserdampf zugeführt.

6. Forschung zur Reduzierung der Wandstärke von großtechnischen Doppelkegelanlagen

Die heutige Welt denkt über Energieeinsparung und Emissionsreduzierung nach. Von Flugzeugen über Züge bis hin zu Autos – alle versuchen, die Dicke ihrer Konstruktion zu verringern.

Ähnlich einem großen Heizkessel (Heizmantel) an der Rückseite des Doppelkegels erscheint es notwendig, auch in den Bereichen Energieeinsparung, Emissionsreduzierung, Einsparung von Edelstahl und Verbesserung der Heiz- und Trocknungseffizienz zu forschen. Auch im Bereich der Trocknungstechnologie müssen wir unseren Beitrag leisten.

7. Schlussfolgerung

Mit der großtechnischen Produktion der Feinchemieindustrie steigt der Bedarf an großen Doppelkegel-Vakuumtrocknern. Da die Entwicklung dieser Bauweise nicht mit den technologischen Entwicklungen Schritt gehalten hat, ergeben sich zahlreiche Probleme in Produktion und Betrieb. Das Verhältnis von Produktionswert zu Energieverbrauch ist in unserer Industrie deutlich höher als in entwickelten Ländern wie Japan. Dabei wird die Effizienz vieler Anlagen außer Acht gelassen, insbesondere das Missverständnis, dass der Preis nicht vom Kosten-Nutzen-Verhältnis, sondern vom Gewicht der Anlage abhängt. Doppelkegel-Vakuumtrockner sind hierfür ein typisches Beispiel.