Scegli la giusta tecnologia di essiccazione

L'essiccazione del materiale è inevitabile per ogni trasformatore di materie plastiche. È inoltre fondamentale per la realizzazione di prodotti di alta-qualità. La scelta di una tecnologia di essiccazione adeguata aiuta a risparmiare sui costi e a ridurre il consumo energetico, e una corretta valutazione della tecnologia di essiccazione e dei costi è essenziale per selezionare la tecnologia appropriata.

L’aumento del contenuto di acqua riduce gradualmente la viscosità di taglio del materiale. Durante la lavorazione, i cambiamenti nelle proprietà del flusso di fusione portano a cambiamenti corrispondenti nella qualità del prodotto e in una serie di parametri di lavorazione. Ad esempio, tempi di permanenza eccessivamente lunghi possono comportare un basso contenuto di umidità residua, un aumento della viscosità, un riempimento incompleto dello stampo e un ingiallimento del materiale. Inoltre, alcuni cambiamenti delle proprietà non sono direttamente osservabili ma possono essere rilevati solo attraverso pertinenti test sui materiali, come i cambiamenti nelle proprietà meccaniche e nella rigidità dielettrica.

Quando si seleziona un processo di essiccazione, identificare le proprietà di essiccazione del materiale è fondamentale. I materiali possono essere classificati come igroscopici o non-igroscopici. I materiali igroscopici assorbono l'umidità dall'ambiente circostante, mentre i materiali non-igroscopici no. Per i materiali non-igroscopici, l'eventuale umidità presente nell'ambiente rimane sulla superficie, diventando "umidità superficiale", che viene facilmente rimossa. Tuttavia, i granuli realizzati con materiali non-igroscopici possono diventare igroscopici a causa di additivi o riempitivi.

Inoltre, il calcolo del consumo energetico per un processo di essiccazione può variare a seconda della complessità del processo e di altri fattori, pertanto i dati qui presentati sono solo di riferimento.

Essiccazione per convezione

Per i materiali non-igroscopici è possibile utilizzare essiccatori ad aria calda. L'umidità viene trattenuta liberamente dalla tensione interfacciale tra il materiale e l'acqua, facilitandone la rimozione. Queste macchine funzionano utilizzando un ventilatore per aspirare l'aria ambiente e riscaldarla alla temperatura richiesta per l'essiccazione del materiale specifico. L'aria riscaldata passa attraverso la tramoggia di essiccazione e riscalda il materiale per convezione per rimuovere l'umidità.

L'essiccazione dei materiali igroscopici prevede generalmente tre fasi: la prima fase fa evaporare l'umidità superficiale del materiale; la seconda fase concentra l'evaporazione all'interno del materiale, dove la velocità di essiccazione diminuisce lentamente mentre la temperatura del materiale inizia a salire; nella fase finale il materiale raggiunge l'equilibrio igroscopico con il gas essiccante. In questa fase la differenza di temperatura tra interno ed esterno viene eliminata. Al termine della terza fase, se il materiale essiccato non rilascia più umidità, ciò non significa che sia privo di umidità-, ma indica semplicemente che si è instaurato un equilibrio tra le particelle e l'ambiente circostante.

Nella tecnologia di essiccazione, la temperatura del punto di rugiada dell'aria è un parametro cruciale. La temperatura del punto di rugiada è la temperatura alla quale l'umidità relativa raggiunge il 100% mantenendo costante il contenuto di umidità dell'aria umida. Rappresenta la temperatura alla quale l'aria raggiunge il punto di condensazione. In generale, quanto più basso è il punto di rugiada dell'aria utilizzata per l'essiccazione, tanto minore è il contenuto di umidità residua e tanto più lenta la velocità di essiccazione.

Attualmente, il metodo più comune per produrre aria secca è l’utilizzo di un generatore di gas secco. Questa apparecchiatura è incentrata su un essiccatore ad adsorbimento composto da due setacci molecolari, dove viene assorbita l'umidità presente nell'aria. Nello stato di essiccazione, l'aria scorre attraverso i setacci molecolari, che assorbono l'umidità dal gas, fornendo gas deumidificato per l'essiccazione. Nello stato di rigenerazione i setacci molecolari vengono riscaldati alla temperatura di rigenerazione tramite aria calda. Il gas che attraversa i setacci molecolari raccoglie l'umidità rimossa e la trasporta nell'ambiente circostante. Un altro metodo per generare gas secco è ridurre la pressione del gas compresso. Il vantaggio di questo metodo è che il gas compresso nella rete di alimentazione ha un punto di rugiada a bassa pressione. Dopo aver ridotto la pressione, il punto di rugiada raggiunge circa 0 gradi. Se è necessario un punto di rugiada ancora più basso, è possibile utilizzare essiccatori a membrana o ad adsorbimento per ridurre ulteriormente il punto di rugiada dell'aria prima che la pressione dell'aria compressa venga ridotta.

Nell'essiccazione dell'aria deumidificata, l'energia necessaria per produrre il gas secco deve essere calcolata separatamente. Nell'essiccazione per adsorbimento, il setaccio molecolare rigenerato deve essere riscaldato dalla sua temperatura allo stato secco (circa 60 gradi) alla sua temperatura di rigenerazione (circa 200 gradi). Ciò avviene tipicamente riscaldando continuamente il gas alla temperatura di rigenerazione attraverso il setaccio molecolare finché non raggiunge una temperatura specifica all'uscita dal setaccio. Teoricamente, l'energia necessaria per la rigenerazione è costituita dall'energia necessaria per riscaldare il setaccio molecolare e l'acqua adsorbita al suo interno, dall'energia necessaria per superare l'adesione del setaccio molecolare all'acqua e dall'energia necessaria per evaporare l'umidità e aumentare la temperatura del vapore acqueo.

Generalmente, il punto di rugiada ottenuto dall'adsorbimento è correlato alla temperatura e alla capacità di trasporto dell'umidità del setaccio molecolare. In genere, un punto di rugiada pari o inferiore a 30 gradi consente al setaccio molecolare di raggiungere una capacità di trasporto dell'umidità pari al 10%. Il fabbisogno energetico teorico per la produzione del gas secco, calcolato a partire dalle fonti energetiche, è di 0,004 kWh/m³. In pratica, tuttavia, questo valore deve essere leggermente superiore poiché i calcoli non tengono conto della ventola o della perdita di calore. Mediante confronto è possibile determinare il consumo energetico specifico di diversi tipi di generatori di gas essiccato. Generalmente il consumo energetico per l'essiccazione del gas di deumidificazione è compreso tra 0,04 kWh/kg e 0,12 kWh/kg, a seconda del materiale e del contenuto di umidità iniziale. Nel funzionamento effettivo, può raggiungere 0,25 kWh/kg o superiore.

L'energia richiesta per asciugare i granuli è composta da due parti: l'energia necessaria per riscaldare il materiale dalla temperatura ambiente alla temperatura di essiccazione e l'energia necessaria per far evaporare l'umidità. Il volume di gas richiesto viene solitamente determinato in base alla temperatura del gas di essiccazione in entrata o in uscita dalla tramoggia di essiccazione. Anche il trasferimento di calore dall'aria secca a una determinata temperatura ai granuli mediante convezione è un processo di essiccazione convettiva.

Nella produzione effettiva, il consumo energetico effettivo è talvolta molto superiore al valore teorico. Ad esempio, il materiale potrebbe rimanere nella tramoggia di essiccazione per troppo tempo, con conseguente consumo di una maggiore quantità di gas per completare il processo di essiccazione, oppure la capacità di adsorbimento del setaccio molecolare potrebbe non essere completamente utilizzata. Un metodo fattibile per ridurre la domanda di gas di essiccazione e quindi abbassare i costi energetici consiste nell'utilizzare una tramoggia di essiccazione in due-fasi. In questo tipo di attrezzatura, il materiale nella parte superiore della tramoggia di essiccazione viene solo riscaldato ma non essiccato, quindi il riscaldamento può essere ottenuto utilizzando l'aria ambiente o il gas di scarico del processo di essiccazione. Utilizzando questo metodo, spesso è necessario fornire alla tramoggia di essiccazione solo da 1/4 a 1/3 della normale quantità di gas di essiccazione, riducendo così i costi energetici. Un altro metodo per migliorare l'efficienza di essiccazione del gas di deumidificazione è tramite termocoppie e rigenerazione controllata dal punto di rugiada-, mentre l'azienda tedesca Motan utilizza il gas naturale come combustibile per ridurre i costi energetici.

Asciugatura sotto vuoto

Attualmente l’essiccazione sotto vuoto è entrata anche nel campo della lavorazione delle materie plastiche. Ad esempio, l'attrezzatura per l'essiccazione sotto vuoto sviluppata dall'azienda americana Maguire è stata applicata alla lavorazione della plastica. Questa macchina a funzionamento continuo è composta da tre camere montate su un nastro trasportatore rotante. Nella prima camera, dopo il riempimento dei granuli, viene introdotto gas portato alla temperatura di essiccazione per riscaldare i granuli. All'uscita del gas, quando il materiale raggiunge la temperatura di essiccazione, viene trasferito nella seconda camera, che viene evacuata. Poiché il vuoto abbassa il punto di ebollizione dell'acqua, l'umidità evapora più facilmente sotto forma di vapore acqueo, accelerando così il processo di diffusione dell'umidità. Il vuoto crea inoltre una maggiore differenza di pressione tra l'interno dei granuli e l'aria circostante. In genere, il materiale rimane nella seconda camera per 20-40 minuti, ma per alcuni materiali altamente igroscopici potrebbero essere necessari fino a 60 minuti. Infine il materiale viene trasferito nella terza camera e rimosso dall'essiccatore.

Sia nell’essiccazione con gas di deumidificazione che nell’essiccazione sotto vuoto, l’energia consumata nel riscaldamento della plastica è la stessa perché entrambi i metodi vengono eseguiti alla stessa temperatura. Tuttavia, nell'essiccazione sotto vuoto, l'essiccazione del gas in sé non consuma energia, ma l'energia è necessaria per creare il vuoto. Il consumo energetico necessario per creare il vuoto dipende dalla quantità di materiale da essiccare e dal suo contenuto di umidità.

Asciugatura a infrarossi

Un altro metodo per essiccare i granuli è l'essiccazione a infrarossi. Nel riscaldamento per convezione, la conduttività termica tra il gas ed i granuli, tra i granuli stessi e all'interno dei granuli è molto bassa, limitando quindi notevolmente il trasferimento di calore. Essiccazione a infrarossi: poiché le molecole vengono irradiate dalla luce infrarossa, l'energia assorbita viene convertita direttamente in vibrazioni termiche, il che significa che il materiale si riscalda più velocemente rispetto all'essiccazione per convezione. Rispetto al riscaldamento a convezione, l'essiccazione a infrarossi comporta, oltre alla differenza di pressione locale tra l'aria ambiente e l'umidità nelle particelle, anche un gradiente di temperatura inverso. In generale, maggiore è la differenza di temperatura tra il gas di essiccazione e le particelle riscaldate, più rapido sarà il processo di essiccazione. Il tempo di asciugatura a infrarossi è generalmente compreso tra 5 e 15 minuti. Attualmente, i processi di essiccazione a infrarossi sono progettati come sistemi a tubi rotanti, in cui le particelle vengono trasportate e fatte circolare lungo un tubo a spirale con diversi riscaldatori a infrarossi nella sezione centrale. Nell'essiccazione a infrarossi, la potenza dell'apparecchiatura può essere selezionata in base a uno standard compreso tra 0,035 kWh/kg e 0,105 kWh/kg.

Come accennato in precedenza, diversi contenuti di umidità nel materiale porteranno a differenze nei parametri di processo. In generale, le differenze nel contenuto di umidità residua possono essere dovute a diverse portate di materiali diversi; pertanto, interruzioni del processo di asciugatura o di avvio e spegnimento della macchina causeranno differenze nel tempo di permanenza. Con una portata di gas fissa, le variazioni nella portata del materiale generalmente si manifestano come cambiamenti nel profilo di temperatura e nella temperatura di scarico. I produttori di essiccatori misurano queste variazioni utilizzando metodi diversi e abbinano la portata del gas di essiccazione alla quantità di materiale da essiccare, regolando così il profilo di temperatura della tramoggia di essiccazione per garantire che i granuli abbiano un tempo di permanenza stabile alla temperatura di essiccazione.

Inoltre, la variazione del contenuto di umidità iniziale nel materiale può portare ad instabilità del contenuto di umidità residua. Poiché il tempo di permanenza è fisso, un cambiamento significativo nel contenuto di umidità iniziale si tradurrà inevitabilmente in un cambiamento altrettanto significativo nel contenuto di umidità residua. Per ottenere un contenuto di umidità residua stabile, è necessario misurare sia il contenuto di umidità iniziale che quello residuo. Tuttavia, a causa del basso contenuto di umidità residua, la misurazione in linea è difficile e il lungo tempo di permanenza del materiale nel sistema di essiccazione può causare problemi di controllo se il contenuto di umidità residua viene utilizzato come segnale di uscita. Pertanto, i produttori di essiccatori hanno sviluppato un nuovo concetto di controllo per ottenere un contenuto di umidità residua stabile. Questo concetto di controllo mira a mantenere stabile il contenuto di umidità residua utilizzando parametri di processo quali il contenuto di umidità iniziale della plastica, il punto di rugiada dei gas in entrata e in uscita, la portata del gas e la portata dei granuli come variabili di input. Ciò consente al sistema di essiccazione di adattarsi tempestivamente in base a queste variabili per mantenere stabile il contenuto di umidità residua.

L'essiccazione a infrarossi e l'essiccazione sotto vuoto sono nuove tecnologie nella lavorazione della plastica. La loro applicazione riduce significativamente il tempo di permanenza del materiale e riduce il consumo di energia. Questi innovativi processi di essiccazione sono però anche relativamente costosi. Pertanto, negli ultimi anni, sono stati compiuti sforzi per migliorare l’efficienza della tradizionale essiccazione del gas deumidificante. Pertanto, quando si prendono decisioni di investimento, dovrebbe essere condotta una valutazione approfondita dei costi, considerando non solo i costi di approvvigionamento ma anche tubazioni, energia, spazio e manutenzione, per massimizzare il ritorno sull’investimento.