Elija la tecnología de secado adecuada

El secado del material es inevitable para todo procesador de plásticos. También es crucial para producir productos de alta-calidad. Elegir una tecnología de secado adecuada ayuda a ahorrar costos y reducir el consumo de energía, y una evaluación correcta de la tecnología de secado y los costos es esencial para seleccionar la tecnología adecuada.

El aumento del contenido de agua reduce gradualmente la viscosidad de corte del material. Durante el procesamiento, los cambios en las propiedades del flujo de fusión conducen a cambios correspondientes en la calidad del producto y en una variedad de parámetros de procesamiento. Por ejemplo, tiempos de permanencia excesivamente largos pueden dar lugar a un bajo contenido de humedad residual, lo que aumenta la viscosidad, lo que provoca un llenado incompleto del molde y un color amarillento del material. Además, algunos cambios de propiedades no son observables directamente, sino que sólo pueden detectarse mediante pruebas de materiales relevantes, como cambios en las propiedades mecánicas y la rigidez dieléctrica.

Al seleccionar un proceso de secado, es primordial identificar las propiedades de secado del material. Los materiales se pueden clasificar como higroscópicos o no-higroscópicos. Los materiales higroscópicos absorben la humedad del entorno, mientras que los materiales no-higroscópicos no lo hacen. Para los materiales no-higroscópicos, cualquier humedad presente en el ambiente permanece en la superficie, convirtiéndose en "humedad superficial", que se elimina fácilmente. Sin embargo, los gránulos hechos de materiales no-higroscópicos pueden volverse higroscópicos debido a aditivos o rellenos.

Además, el cálculo del consumo de energía para un proceso de secado puede variar dependiendo de la complejidad del procesamiento y otros factores, por lo que las cifras presentadas aquí son solo como referencia.

Secado por convección

Para materiales no-higroscópicos, se pueden utilizar secadores de aire caliente. La humedad queda ligeramente unida por la tensión interfacial entre el material y el agua, lo que facilita su eliminación. Estas máquinas funcionan mediante un ventilador que aspira aire ambiente y lo calienta a la temperatura necesaria para secar el material específico. El aire calentado pasa a través de la tolva de secado y calienta el material por convección para eliminar la humedad.

El secado de materiales higroscópicos generalmente implica tres etapas: la primera etapa evapora la humedad superficial del material; la segunda etapa enfoca la evaporación en el interior del material, donde la velocidad de secado disminuye lentamente mientras la temperatura del material comienza a aumentar; en la etapa final, el material alcanza el equilibrio higroscópico con el gas de secado. En esta etapa se elimina la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior. Al final de la tercera etapa, si el material seco ya no libera humedad, esto no significa que esté libre-de humedad, sino que simplemente indica que se ha establecido un equilibrio entre las partículas y el entorno circundante.

En la tecnología de secado, la temperatura del punto de rocío del aire es un parámetro crucial. La temperatura del punto de rocío es la temperatura a la que la humedad relativa alcanza el 100% manteniendo constante el contenido de humedad del aire húmedo. Representa la temperatura a la que el aire alcanza el punto de condensación. Generalmente, cuanto menor sea el punto de rocío del aire utilizado para el secado, menor será el contenido de humedad residual y más lenta será la velocidad de secado.

Actualmente, el método más común para producir aire seco es utilizar un generador de gas seco. Este equipo se centra en un secador de adsorción compuesto por dos tamices moleculares, donde se absorbe la humedad del aire. En el estado de secado, el aire fluye a través de los tamices moleculares, que absorben la humedad del gas, proporcionando gas deshumidificado para el secado. En el estado de regeneración, los tamices moleculares se calientan mediante aire caliente hasta su temperatura de regeneración. El gas que fluye a través de los tamices moleculares recoge la humedad eliminada y la transporta al entorno circundante. Otro método para generar gas seco es reducir la presión del gas comprimido. La ventaja de este método es que el gas comprimido en la red de suministro tiene un punto de rocío a baja presión. Una vez reducida la presión, su punto de rocío alcanza aproximadamente 0 grados. Si se requiere un punto de rocío aún más bajo, se pueden usar secadores de membrana o de adsorción para reducir aún más el punto de rocío del aire antes de que se reduzca la presión del aire comprimido.

En el secado por aire deshumidificado, la energía necesaria para producir el gas seco debe calcularse por separado. En el secado por adsorción, el tamiz molecular regenerado debe calentarse desde su temperatura de estado seco (aproximadamente 60 grados) hasta su temperatura de regeneración (aproximadamente 200 grados). Por lo general, esto se hace calentando continuamente el gas a la temperatura de regeneración a través del tamiz molecular hasta que alcanza una temperatura específica al salir del tamiz. Teóricamente, la energía necesaria para la regeneración consiste en la energía necesaria para calentar el tamiz molecular y el agua adsorbida en su interior, la energía necesaria para superar la adhesión del tamiz molecular al agua y la energía necesaria para evaporar la humedad y elevar la temperatura del vapor de agua.

Generalmente, el punto de rocío obtenido de la adsorción está relacionado con la temperatura y la capacidad de transporte de humedad del tamiz molecular. Normalmente, un punto de rocío de 30 grados o menos permite que el tamiz molecular alcance una capacidad de transporte de humedad del 10%. El consumo energético teórico para la producción de gas seco, calculado a partir de fuentes de energía, es de 0,004 kWh/m³. Sin embargo, en la práctica, este valor debe ser ligeramente mayor porque los cálculos no tienen en cuenta la pérdida de calor ni del ventilador. Mediante comparación se puede determinar el consumo de energía específico de diferentes tipos de generadores de gas de secado. Generalmente, el consumo de energía para el secado del gas deshumidificador está entre 0,04 kWh/kg y 0,12 kWh/kg, dependiendo del material y del contenido de humedad inicial. En funcionamiento real, puede alcanzar 0,25 kWh/kg o más.

La energía necesaria para secar los gránulos consta de dos partes: la energía necesaria para calentar el material desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de secado y la energía necesaria para evaporar la humedad. El volumen de gas requerido generalmente se determina en función de la temperatura del gas de secado que entra o sale de la tolva de secado. La transferencia de calor del aire seco a una determinada temperatura a los gránulos mediante convección también es un proceso de secado por convección.

En la producción real, el consumo de energía real es a veces mucho mayor que el valor teórico. Por ejemplo, el material puede permanecer en la tolva de secado durante demasiado tiempo, lo que provoca que se consuma una mayor cantidad de gas para completar el proceso de secado, o es posible que la capacidad de adsorción del tamiz molecular no se utilice por completo. Un método factible para reducir la demanda de gas de secado y, por lo tanto, reducir los costos de energía es utilizar una tolva de secado de dos-pasos. En este tipo de equipos el material en la parte superior de la tolva de secado solo se calienta pero no se seca, por lo que el calentamiento se puede lograr utilizando aire ambiente o gases de escape del proceso de secado. Con este método, a menudo sólo es necesario suministrar a la tolva de secado entre 1/4 y 1/3 de la cantidad habitual de gas de secado, lo que reduce los costes de energía. Otro método para mejorar la eficiencia del secado del gas deshumidificador es mediante termopares y regeneración controlada por punto de rocío, mientras que la empresa alemana Motan utiliza gas natural como combustible para reducir los costos de energía.

Secado al vacío

Actualmente, el secado al vacío también ha entrado en el campo del procesamiento de plásticos. Por ejemplo, el equipo de secado al vacío desarrollado por la empresa estadounidense Maguire se ha aplicado al procesamiento de plásticos. Esta máquina de funcionamiento continuo consta de tres cámaras montadas sobre una cinta transportadora giratoria. En la primera cámara, después de llenar los gránulos, se introduce gas calentado a la temperatura de secado para calentar los gránulos. A la salida de gases, cuando el material alcanza la temperatura de secado, se traslada a la segunda cámara, donde se evacúa. Debido a que el vacío reduce el punto de ebullición del agua, la humedad se evapora más fácilmente en forma de vapor de agua, lo que acelera el proceso de difusión de la humedad. El vacío también crea una mayor diferencia de presión entre el interior de los gránulos y el aire circundante. Normalmente, el material reside en la segunda cámara durante 20 a 40 minutos, pero para algunos materiales altamente higroscópicos, pueden ser necesarios hasta 60 minutos. Finalmente, el material se transfiere a la tercera cámara y se retira del secador.

Tanto en el secado con gas deshumidificador como en el secado al vacío, la energía consumida para calentar el plástico es la misma porque ambos métodos se realizan a la misma temperatura. Sin embargo, en el secado al vacío, el secado con gas en sí no consume energía, pero se necesita energía para crear el vacío. El consumo de energía necesario para crear el vacío depende de la cantidad de material que se seca y de su contenido de humedad.

Secado por infrarrojos

Otro método para secar los gránulos es el secado por infrarrojos. En el calentamiento por convección, la conductividad térmica entre el gas y los gránulos, entre los propios gránulos y dentro de los gránulos es muy baja, lo que limita en gran medida la transferencia de calor. Secado por infrarrojos: debido a que las moléculas son irradiadas por luz infrarroja, la energía absorbida se convierte directamente en vibraciones térmicas, lo que significa que el material se calienta más rápido que en el secado por convección. En comparación con el calentamiento por convección, el secado por infrarrojos también implica, además de la diferencia de presión local entre el aire ambiente y la humedad de las partículas, un gradiente de temperatura inverso. Generalmente, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el gas de secado y las partículas calentadas, más rápido será el proceso de secado. El tiempo de secado por infrarrojos suele ser de 5 a 15 minutos. Actualmente, los procesos de secado por infrarrojos se diseñan como sistemas de tubos giratorios, donde las partículas se transportan y circulan a lo largo de un tubo en espiral con varios calentadores de infrarrojos en la sección central. En el secado por infrarrojos, la potencia del equipo se puede seleccionar en base a un estándar de 0,035 kWh/kg a 0,105 kWh/kg.

Como se mencionó anteriormente, diferentes contenidos de humedad en el material darán lugar a diferencias en los parámetros del proceso. Generalmente, las diferencias en el contenido de humedad residual pueden deberse a diferentes caudales de diferentes materiales; por lo tanto, las interrupciones en el proceso de secado o el arranque y apagado de la máquina provocarán diferencias en el tiempo de residencia. Con un caudal de gas fijo, las variaciones en el caudal de material generalmente se manifiestan como cambios en el perfil de temperatura y la temperatura de escape. Los fabricantes de secadoras miden estas variaciones utilizando diferentes métodos y hacen coincidir el caudal de gas de secado con la cantidad de material que se seca, ajustando así el perfil de temperatura de la tolva de secado para garantizar que los gránulos experimenten un tiempo de residencia estable a la temperatura de secado.

Además, variar el contenido de humedad inicial en el material puede provocar inestabilidad en el contenido de humedad residual. Dado que el tiempo de residencia es fijo, un cambio significativo en el contenido de humedad inicial resultará inevitablemente en un cambio igualmente significativo en el contenido de humedad residual. Para lograr un contenido de humedad residual estable, es necesario medir tanto el contenido de humedad inicial como el contenido de humedad residual. Sin embargo, debido al bajo contenido de humedad residual, la medición en línea es difícil y el largo tiempo de residencia del material en el sistema de secado puede causar problemas de control si se utiliza el contenido de humedad residual como señal de salida. Por lo tanto, los fabricantes de secadoras han desarrollado un nuevo concepto de control para lograr un contenido de humedad residual estable. Este concepto de control tiene como objetivo mantener un contenido de humedad residual estable mediante el uso de parámetros del proceso como el contenido de humedad inicial del plástico, el punto de rocío de los gases entrantes y salientes, el caudal de gas y el caudal de gránulos como variables de entrada. Esto permite que el sistema de secado se ajuste rápidamente en función de estas variables para mantener un contenido de humedad residual estable.

El secado por infrarrojos y el secado al vacío son nuevas tecnologías en el procesamiento de plásticos. Su aplicación acorta significativamente el tiempo de residencia del material y reduce el consumo de energía. Sin embargo, estos innovadores procesos de secado también son relativamente caros. Por ello, en los últimos años se han realizado esfuerzos para mejorar la eficiencia del secado con gas deshumidificador tradicional. Por lo tanto, al tomar decisiones de inversión, se debe realizar una evaluación exhaustiva de los costos, considerando no sólo los costos de adquisición sino también las tuberías, la energía, el espacio y el mantenimiento, para maximizar el retorno de la inversión.