固体の温度処理

Peter Koenig 氏、製品マネージャー、Bepex | 2021 年 9 月 15 日

直接乾燥技術と間接乾燥技術の両方に、滞留時間が短いという利点があります。 機械式フラッシュドライヤー (直接乾燥) と薄膜パドルドライヤー (間接乾燥) の 2 種類のドライヤーが、熱に弱い材料に最適なソリューションを提供します。 各用途の要件によって、乾燥機の選択が決まります。

化学、食品、鉱物、その他の業界のメーカーは、廃棄物を最小限に抑え、最適な効率で、最高の品質で材料が生産されることを保証するために、自社の工業プロセスを継続的に評価しています。 熱処理は処理段階に不可欠であり、材料の水分含有量やその他の特性を徹底的に分析する必要があります。 それぞれの工業プロセスは独特です。 メーカーは、材料評価、バッチテスト、パイロット規模の試験、商用評価を含む慎重な開発プロセスを経て初めて最高のパフォーマンスを保証されます。 温度に敏感な材料を乾燥するための 2 つのアプローチにより、ポリマー、肥料、デンプン、小麦粉、酵母 (動物用サプリメントも含む) など、さまざまな材料のプロセスと製品の品質が最適化されます。

乾燥は、機械的手段以外の方法で液体を固体から分離する単位操作です。 これには通常、熱の供給が必要となり、液体が蒸発します。 温度に敏感な処理には、直接乾燥と間接乾燥の 2 種類の乾燥技術を適用できます (図 1 を参照)。

図 1: 温度に敏感な加工のための直接乾燥と間接乾燥

直接熱プロセス (図 2) では、通常、加熱されたガスまたは周囲ガス (空気または窒素など) が処理される材料と直接混合されます。 一部の直接熱技術では、機械的撹拌機を使用して材料とガスの混合を促進します。また、ほぼすべての直接熱技術では、空気輸送を使用して材料をプロセス内で移動させます。

このプロセスは熱伝達媒体としてガスに依存しているため、排気処理や環境への配慮により、特定の用途ではこのプロセスが間接的プロセスよりも望ましくない可能性があります。

ただし、大量の空気/ガスが存在する場合、直接乾燥操作では、蒸発した水が空気流を冷却し、その後乾燥した材料を冷却する蒸発冷却の恩恵を受けることができます。 これにより、低い作業温度が維持され、温度に敏感な材料の劣化が回避されます。

間接的または伝導性の乾燥プロセスでは、加熱された表面との接触を通じて間接的に熱が材料に伝達されます。 材料は金属壁によって熱伝達媒体から分離されており、熱は材料または熱伝達媒体、通常は蒸気または熱油 (水、グリコール溶液、電気抵抗、または溶融塩も) を通して伝導されます。 材料自体が熱媒体と直接接触することはありません。 均一な加熱と搬送を強化するために、間接システムは機械的撹拌を使用して、処理された材料を金属表面全体に移動させ、次のプロセスステップに進めます。

間接熱処理は、スペースが限られている場合、短距離搬送の場合、またはプロセス内の搬送設備を削減する場合に特に有益です。 間接熱処理により、多くの場合、材料の取り扱いの問題が解消され、最終製品の価値が高まります。

図 2: 直接熱と間接熱の概念

この作業を実行できる乾燥機はいくつかありますが、特に熱に弱い材料の乾燥には、機械式フラッシュ乾燥機と薄膜パドル乾燥機の 2 種類が最適です。 乾燥機の選択は、原料の形態と同様に、個々の用途の要件によって決まります。 各アプリケーションには、アプリケーションに正確に適合するものをテスト、設計、指定するための徹底的な開発プロセスが必要です (補足記事: 最良の結果を得るには、評価、テスト、およびサンプル材料を参照してください)。

気流乾燥機は直接熱技術に基づいており、ウェット/フィルターケーキ、ペースト、スラリーなど、取り扱いが難しい形態の高水分で温度に敏感な材料を乾燥するように設計されています (図 3 を参照)。 従来のフラッシュ乾燥機は、機械を使用しないスプレー乾燥機またはリング乾燥機です。 代替タイプのフラッシュ ドライヤーは機械式で、スプレー ドライヤーやリング ドライヤーと比較して粒子の柔軟性が優れています。 スプレー乾燥機は通常、微粉末のみを生成しますが、リング乾燥機は通常、より大きな顆粒を生成し、粉末を生成するには追加の粉砕ステップが必要です。 機械式フラッシャー乾燥機は、微粉砕粉末 (~5µm) またはより大きな顆粒 (通常 1 ～ 2 mm) を生成できます。

図 3: 機械式フラッシュ乾燥機は高い乾燥効率を提供します。

乾燥機の強力な混合により製品の表面積が増加し、迅速な蒸発が保証され、高い乾燥効率が得られます。 機械式フラッシュ乾燥機は、加熱された空気流と回転する分散プレートを利用して、材料の薄層を生成します。 この薄層は、乾燥される粒子と加熱されたガス流との間の密接な接触を提供します。 分散が薄層であるため、機械式フラッシュ乾燥機は通常、リング乾燥機やスプレー乾燥機と比較して設置面積が小さくて済みます。

乾燥機内での材料の滞留時間は平均 2 ～ 3 秒と短いです。 乾燥機から排出された材料は、空気圧で分離コンポーネント (通常はサイクロン、その後にバッグハウス) に運ばれます。 搬送中、湿気を含んだ空気が乾燥製品の蒸発冷却を行い、材料の温度を急速に下げて、長時間および温度にさらされることで起こる劣化や色の変化を防ぎます。 機械式気流乾燥機は通常、一部の気流乾燥操作で一般的な流動床や保持ステップなどの上流または下流の熱プロセスを必要としません。

機械式フラッシュ乾燥機は、フィルターケーキ、スラリー、または溶液の粉砕と乾燥を同時に行うこともできるため、乾燥機から直接使用可能な粉末材料が生成され、後続の粉砕が必要な場合に下流でのエネルギー消費が削減されます。 機械式フラッシュドライヤーは、非機械式スプレードライヤーやリングドライヤーに代わる効率的でコンパクトな代替品であり、製品の品質を犠牲にすることなく総所有コストと設置コストの両方を削減します。

薄膜パドルドライヤー (図 4 を参照) は、加熱された表面を通って製品に到達する熱エネルギーに依存する間接熱技術に基づいています。 薄膜ドライヤは、高い先端速度により材料を加熱/冷却面に常に接触させ続けるため、間接熱処理の熱効率が最も高くなります。 薄膜乾燥機の連続撹拌は、複数の供給流および/または微量成分を組み込むための優れた混合メカニズムも提供します。 薄膜乾燥機は、1 ～ 3,400 ミクロンの範囲の粒子サイズを生成し、溶液、スラリー、ペースト、遠心分離ケーキ、フィルターケーキ、および自由流動固体を操作するように設計されています。

図 4: 薄膜パドルドライヤーは優れた熱伝達係数を生み出します。

薄膜乾燥機は、円筒形のハウジング内で回転する機械式撹拌機に依存しています。 円筒形のハウジングには、蒸気または液体の熱伝達媒体用に構築された熱伝達ジャケットがあります。 加熱された円筒形容器内のローターは高い先端速度 (5 ～ 25 m/秒) で動作し、加熱された円筒形容器の壁に沿って材料を薄層に押し込みます。 これにより、蒸発を実行するための伝導加熱が提供されます。 壁の中空ジャケットが熱伝達面全体を構成します。 加熱されたガス流 (多くの場合不活性) は通常、材料の流れに対して向流に流れ、蒸発した水分を拾い上げて、収集のために凝縮器に運びます。 パージガスは主な熱源として使用されないため、必要なガスの量が最小限に抑えられ、より効率的な運転とより低い運転ユーティリティ要件が提供されます。

ローターは、回転シャフトの長さに沿って取り付けられたパドルで構成されています。 各パドルの角度を調整することで、材料の搬送速度と滞留時間を制御できます。 ベッド パドル ドライヤーと混同しないでください。薄膜パドル ドライヤーのパドルは熱伝達を行いません。 これらの乾燥機は、容器の側面にあるポートから強制的に供給することも、上部から重力で供給することもできます。 製品は通常、反対側のポートから排出され、連続プロセスにのみ適しています。

薄膜乾燥機は、冷却、低温殺菌、ウェットケーキ乾燥に最適で、フラッシュ乾燥機と比較して効率的です。 高速パドルは塊やゆるい凝集体を粉砕し、均一な熱処理を実現します。

スクリュー供給、ポンピング、容器へのスプレーなど、複数の供給オプションにより、このオプションはほぼあらゆる粘稠度の材料に適しています。 乾燥機の滞留時間 (処理された材料が機械内で費やす時間) が短いため、材料の温度を厳密に制御できます。

機械式フラッシュ乾燥機と薄膜接触乾燥機は、滞留時間が短いため、または時間と温度暴露を厳密に制御できるため、熱に弱い材料の熱処理に最適です。 処理する製品材料の性質に応じて、他のいくつかのタイプの乾燥機も利用できます。 希薄分散または薄膜として分類される乾燥機には、薄膜接触乾燥機、噴霧乾燥機、ドラム乾燥機、フラッシュ乾燥機、および蒸気ジャケット付き回転乾燥機が含まれます。

最適な乾燥機の設計は、次の機能を備えている必要があります。

1. 時間と温度の暴露

製品の品質の低下は、通常、暴露時間と乾燥温度の複合的な影響によって発生します。 乾燥機の設計で長時間放置する場合は、熱源の温度を低く保つ必要があります。 一方、短い滞留時間で動作する乾燥機は、製品の品質低下の危険を冒すことなく、より高い熱源温度を使用できます。

乾燥機の設計にはさまざまな暴露時間があります (表 1 を参照)。 機械式フラッシュ乾燥機は、3 秒未満の非常に短い滞留時間で動作します。 薄膜パドル乾燥機は、最大 30 分間の幅広い滞留時間で動作できます。

表 1: 固体の熱曝露条件

2. 空気暴露

時間と温度への曝露の減少を補うために、乾燥機の設計は蒸発物質移動効率を最大化する必要があります。 この効果を達成する 1 つの方法は、空気 (または不活性ガス) 流で乾燥中の個別の粒子を密接に接触させることです。 個々の粒子が空気流と接触することにより、蒸発に対する分圧駆動力の差が増加し、良好な水分除去能力が得られます。

空気にさらされる度合いは乾燥機によって異なります。 気流乾燥機、流動床乾燥機、スプレー乾燥機、および薄膜パドル乾燥機はすべて、高度に離散的な粒子と空気の接触を伴って動作します。

3. 温度勾配と滞留時間分布

乾燥操作中に加熱される製品材料内の温度勾配を最小限に抑えることが重要です。 乾燥機内での製品材料の滞留時間分布が狭いため、均一な製品品質が保証されます。

製品材料が希釈分散液として、またはプラグフロー状態の薄膜として加熱される乾燥機の設計は、これらの基準を満たします。 製品材料がバルク塊の形態である乾燥機では、温度勾配および/または滞留時間分布効果がより発生しやすい可能性があります。

気流乾燥機の熱効率は、出口ガス温度とデルタ温度 (入口/出口ガス温度差) の関数であり、熱バランスのためのガス流量要件が確立されます。 ガス出口温度が低いほど熱効率は高くなります。 ガス温度差が大きくなると、ガス流量が減り、熱効率が高くなります。

通常、排出される製品の最大許容水分含有量によって、気流乾燥機の出口ガス温度の下限が決まります。 通常、製品材料の温度感度によって機械式フラッシュドライヤーの入口ガス温度の上限が決まり、最大許容デルタ温度条件が確立されます。 最終的な結果として、ほとんどの乾燥用途では、機械式フラッシュ乾燥機の熱負荷は通常、蒸発した水 1 ポンドあたり 1,500 ～ 2,000 BTU になります。

薄膜ドライヤの熱効率は、フラッシュドライヤと同様に、出口ガス温度とシステム損失の関数です。 ただし、薄膜ドライヤーは熱バランス要件のガス流量に依存しません。 ガス流量が減少すると、乾燥機の熱負荷は蒸発した水 1 ポンドあたり 1,000 ～ 1,400 BTU の範囲になります。

化学、食品、鉱物産業向けの温度に敏感な製品を処理するには、製品の品質、最適な効率、無駄を最小限に抑えるために、乾燥プロセスを注意深く分析する必要があります。 直接乾燥と間接乾燥は、温度に敏感な加工に最適な 2 種類の乾燥技術です。 機械式フラッシュ乾燥機と薄膜パドル乾燥機は最適なソリューションを提供しますが、乾燥機の選択はアプリケーション要件によって決まります。

プロセス、プラント、資本要件を徹底的に分析することで、仕様に最も適合するテクノロジーが特定されます。

ゼロから始める場合でも、既存のシステムに新しいプロセスステップを組み込む場合でも、現在のオペレーションを最適化する場合でも、メーカーは固体処理パートナーと協力して次のステップの 1 つまたはすべてを実行して材料要件を満たすことができます。

* ベンチ テスト: 初期の実現可能性について材料の小さなサンプルをレビューします* パイロット スケール テスト: カスタマイズ可能なシステムで代表的なトライアルを実行します* スケールアップ: パイロット スケール テストの結果から、運用要件を満たす産業プロセス システムのサイズを決定します* 商用評価:スケールアップ後、CAPEX および OPEX 評価のための完全な製品を提供します* カスタム プロセス定義: 市場評価のために継続的なプロセスで製品サンプルを作成します

業界で実証済みのテクノロジーを使用した慎重な評価は、メーカーが用途に適した材料を開発し、市場投入までの時間を短縮するのに役立ちます。

Peter Koenig は Bepex のプロダクト マネージャーです。 詳細については、612-331-4370 に電話するか、www.bepex.com にアクセスしてください。

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