適切な乾燥技術を選択する

材料の乾燥は、どのプラスチック加工業者にとっても避けられません。また、高品質の製品を生産するためにも重要です。-適切な乾燥技術を選択することは、コストを節約し、エネルギー消費量を削減するのに役立ちます。適切な技術を選択するには、乾燥技術とコストを正しく評価することが不可欠です。

水分含有量が増加すると、材料のせん断粘度が徐々に低下します。加工中にメルトフロー特性が変化すると、それに対応して製品の品質や加工パラメーターの範囲も変化します。たとえば、滞留時間が長すぎると、残留水分含有量が低下し、粘度が増加し、金型への充填が不完全になり、材料が黄変する可能性があります。さらに、機械的特性や絶縁耐力の変化など、一部の特性変化は直接観察できず、関連する材料試験を通じてのみ検出できます。

乾燥プロセスを選択する場合、材料の乾燥特性を特定することが最も重要です。材料は吸湿性または非吸湿性として分類できます。-吸湿性材料は周囲環境から湿気を吸収しますが、非吸湿性材料は吸収しません。-非吸湿性材料の場合、環境中に存在する水分は表面に残り、「表面水分」となり、簡単に除去されます。ただし、非吸湿性の材料で作られた顆粒は、添加剤や充填剤によって吸湿性になる可能性があります。{7}}

なお、乾燥工程のエネルギー消費量の計算は、加工の複雑さやその他の要因によって異なる場合がありますので、ここで示した数値は参考値です。

対流乾燥

非吸湿性素材の場合は、熱風乾燥機を使用できます。-水分は、材料と水の間の界面張力によって緩く結合されているため、除去しやすくなっています。これらの機械は、ファンを使用して周囲の空気を取り込み、特定の材料の乾燥に必要な温度まで加熱することで動作します。加熱された空気は乾燥ホッパーを通過し、対流によって材料を加熱して水分を除去します。

吸湿性材料の乾燥には通常 3 つの段階が含まれます。第 1 段階では材料の表面の水分を蒸発させます。第 2 段階では、材料の内部で蒸発が集中し、材料の温度が上昇し始めると同時に乾燥速度がゆっくりと低下します。最終段階では、材料は乾燥ガスとの吸湿平衡に達します。この段階で室内と室外の温度差はなくなります。第 3 段階の終わりに、乾燥した材料が水分を放出しなくなった場合、これは水分がなくなったことを意味するのではなく、単に粒子と周囲の環境との間に平衡が確立されたことを示しています。-

乾燥技術では、空気の露点温度が重要なパラメータです。露点温度は、湿った空気の水分含有量を一定に保ちながら相対湿度が 100% に達する温度です。空気が凝結点に達する温度を表します。一般に、乾燥に使用される空気の露点が低いほど、残留水分含有量が低くなり、乾燥速度が遅くなります。

現在、乾燥空気を生成する最も一般的な方法は、乾燥ガス発生器を使用することです。この装置は、空気中の水分を吸収する2つのモレキュラーシーブで構成される吸着乾燥機を中心としています。乾燥状態では、空気がモレキュラーシーブを通過し、モレキュラーシーブがガスから水分を吸収し、乾燥用の除湿ガスが提供されます。再生状態では、モレキュラーシーブは熱風によって再生温度まで加熱されます。モレキュラーシーブを通過するガスは、除去された水分を収集し、周囲の環境に運びます。乾燥ガスを生成する別の方法は、圧縮ガスの圧力を下げることです。この方法の利点は、供給ネットワーク内の圧縮ガスの圧力露点が低いことです。減圧後は露点が約0度になります。さらに低い露点が必要な場合は、圧縮空気の圧力を下げる前に、膜式または吸着式ドライヤーを使用して空気露点をさらに下げることができます。

除湿空気乾燥では、乾燥ガスを生成するために必要なエネルギーを別途計算する必要があります。吸着乾燥では、再生モレキュラーシーブを乾燥状態の温度（約 60 度）から再生温度（約 200 度）まで加熱する必要があります。これは通常、ガスがモレキュラーシーブを通過して特定の温度に達するまで、ガスを再生温度まで継続的に加熱することによって行われます。理論的には、再生に必要なエネルギーは、モレキュラーシーブとその中に吸着された水を加熱するのに必要なエネルギー、モレキュラーシーブと水の付着を克服するのに必要なエネルギー、および水分を蒸発させて水蒸気の温度を上昇させるのに必要なエネルギーで構成されます。

一般に、吸着から得られる露点は、モレキュラーシーブの温度と水分保持能力に関係します。通常、露点が 30 度以下であれば、モレキュラーシーブは 10% の水分保持能力を達成できます。乾燥ガスの生成に必要な理論的エネルギーは、エネルギー源から計算すると 0.004 kWh/m3 です。ただし、実際には、計算ではファンや熱損失が考慮されていないため、この値はわずかに大きくなる必要があります。比較することで、さまざまなタイプの乾燥ガス発生装置の比エネルギー消費量を決定できます。一般に、除湿ガス乾燥のエネルギー消費量は、材料と初期含水量に応じて、0.04 kWh/kg ～ 0.12 kWh/kg です。実際の動作では0.25kWh/kg以上に達する場合があります。

顆粒の乾燥に必要なエネルギーは、材料を室温から乾燥温度まで加熱するのに必要なエネルギーと、水分を蒸発させるのに必要なエネルギーの 2 つの部分で構成されます。必要なガス量は通常、乾燥ホッパーに出入りする乾燥ガスの温度に基づいて決定されます。対流を介して特定の温度の乾燥空気から顆粒に熱を伝達することも対流乾燥プロセスです。

実際の生産では、実際のエネルギー消費量が理論値よりも大幅に高くなる場合があります。たとえば、材料が乾燥ホッパー内に長時間留まり、乾燥プロセスを完了するために大量のガスが消費されるか、モレキュラーシーブの吸着能力が十分に活用されない可能性があります。乾燥ガスの需要を減らし、エネルギーコストを削減する実現可能な方法は、2 段階の乾燥ホッパーを使用することです。-このタイプの装置では、乾燥ホッパー上部の材料は加熱されるだけで乾燥は行われないため、外気や乾燥工程の排気ガスを利用して加熱することができます。この方法を使用すると、通常の乾燥ガス量の 1/4 ～ 1/3 だけを乾燥ホッパーに供給するだけで済むため、エネルギーコストが削減されます。除湿ガスの乾燥効率を向上させるもう 1 つの方法は、熱電対と露点制御再生を使用することです。一方、ドイツの会社 Motan はエネルギー コストを削減するために天然ガスを燃料として使用しています。{10}

真空乾燥

現在、真空乾燥はプラスチック加工分野にも参入しています。例えば、アメリカのマグワイア社が開発した真空乾燥装置はプラスチック加工に応用されています。この連続運転機械は、回転するコンベア ベルト上に取り付けられた 3 つのチャンバーで構成されています。第１室では、顆粒を充填した後、乾燥温度に加熱されたガスを導入して顆粒を加熱する。ガス出口で材料が乾燥温度に達すると、材料は第 2 チャンバーに移動され、真空になります。真空により水の沸点が下がるため、水分は水蒸気として蒸発しやすくなり、水分の拡散プロセスが加速されます。また、真空により、顆粒の内部と周囲の空気の間に大きな圧力差が生じます。通常、材料は第 2 チャンバー内に 20 ～ 40 分間滞留しますが、吸湿性の高い材料によっては最大 60 分かかる場合があります。最後に、材料は第 3 チャンバーに移送され、乾燥機から取り出されます。

除湿ガス乾燥も真空乾燥も同じ温度で行うため、プラスチックの加熱に消費するエネルギーは同じです。しかし、真空乾燥の場合、ガス乾燥自体にはエネルギーを消費しませんが、真空にするためにエネルギーが必要です。真空を作り出すために必要なエネルギー消費量は、乾燥する材料の量とその水分含有量によって異なります。

赤外線乾燥

顆粒を乾燥させる別の方法は赤外線乾燥です。対流加熱では、ガスと顆粒の間、顆粒同士の間、および顆粒内の熱伝導率が非常に低いため、熱伝達が大幅に制限されます。赤外線乾燥では、分子が赤外線で照射されるため、吸収されたエネルギーが直接熱振動に変換され、対流乾燥よりも早く材料が加熱されます。対流加熱と比較して、赤外線乾燥には、周囲の空気と粒子内の水分との間の局所的な圧力差に加えて、逆の温度勾配も関係します。一般に、乾燥ガスと加熱粒子間の温度差が大きいほど、乾燥プロセスは速くなります。赤外線乾燥時間は通常 5 ～ 15 分です。現在、赤外線乾燥プロセスは回転チューブ システムとして設計されており、中央セクションにいくつかの赤外線ヒーターを備えたスパイラル チューブに沿って粒子が輸送および循環されます。赤外線乾燥の場合、装置出力は0.035kWh/kg～0.105kWh/kgを目安に選択可能です。

前述したように、材料内の水分含有量が異なると、プロセスパラメータの違いが生じます。一般に、残留水分含有量の違いは、異なる材料の異なる流量によるものである可能性があります。したがって、乾燥プロセスの中断や機械の起動と停止により、滞留時間に差が生じます。ガス流量が固定されている場合、材料流量の変化は一般に温度プロファイルと排気温度の変化として現れます。乾燥機メーカーは、さまざまな方法を使用してこれらの変動を測定し、乾燥ガスの流量と乾燥する材料の量を一致させ、それによって乾燥ホッパーの温度プロファイルを調整して、顆粒が乾燥温度で安定した滞留時間を経験できるようにします。

さらに、材料の初期含水量が変化すると、残留含水量が不安定になる可能性があります。滞留時間は固定されているため、初期含水量が大きく変化すると、必然的に残留含水量も同様に大きく変化します。安定した残留水分率を得るには、初期水分率と残留水分率の両方を測定する必要があります。ただし、残留水分含有量が低いため、オンライン測定は困難であり、残留水分含有量を出力信号として使用する場合、乾燥システム内での材料の滞留時間が長いため、制御上の問題が発生する可能性があります。したがって、乾燥機メーカーは、安定した残留水分含有量を実現するための新しい制御コンセプトを開発しました。この制御コンセプトは、プラスチックの初期含水量、流入および流出ガスの露点、ガス流量、顆粒流量などのプロセスパラメータを入力変数として使用することにより、安定した残留水分含量を維持することを目的としています。これにより、乾燥システムがこれらの変数に基づいて迅速に調整され、安定した残留水分含有量を維持できるようになります。

赤外線乾燥と真空乾燥はプラスチック加工における新しい技術です。これらを適用すると、材料の滞留時間が大幅に短縮され、エネルギー消費が削減されます。ただし、これらの革新的な乾燥プロセスは比較的高価でもあります。そのため、近年では従来の除湿ガス乾燥の効率を向上させる取り組みが行われています。したがって、投資を決定する際には、調達コストだけでなく、配管、エネルギー、スペース、メンテナンスなども考慮した徹底的なコスト評価を行い、投資収益率を最大化する必要があります。