Sprühtrocknung

2023-08-25T08:06:31Z

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[[Datei:Labspraydryer de.svg|mini|Schema eines Sprühtrockners im Labormaßstab]]
[[Datei:SDXFamily1.JPG|mini|Verschiedene typische Bauformen von Druckzerstäubern (demontiert) für den Einsatz in der Sprühtrocknung]]
Die '''Sprühtrocknung''' (auch '''Zerstäubungstrocknung''') ist eine Methode aus der [[Verfahrenstechnik]] zur [[Trocknung]] von [[Lösung (Chemie)|Lösungen]], [[Suspension (Chemie)|Suspensionen]] oder [[Emulsion]]en. Dabei wird mittels eines [[Zerstäubungstechnik|Zerstäubers]] das zu trocknende Gut in einen Heißgasstrom eingebracht, der es in sehr kurzer Zeit (wenige Sekunden bis Bruchteilen einer Sekunde) zu einem feinen [[Schüttgut|Pulver]] trocknet.

Das Konzept wurde im 19. Jahrhundert vermutlich in der Milchindustrie entwickelt. 1872 wurde ein erstes Patent von Samuel R. Percy (nicht Perry wie oft zitiert) zur Sprühtrocknung angemeldet.<ref>US125406, Samuel R. Percy, Improvement in drying and concentrating liquid substances by atomizing, 1872</ref> Verbreiteten kommerziellen Einsatz fand die Sprühtrocknung allerdings erst im 20. Jahrhundert.

== Grundlegende Funktionsweise ==
Mittels eines [[Zerstäubungstechnik#Einstoff-Druckdüsen|Druckzerstäubers]] (auch Einstoffdüse, je nach Bauart typischerweise 50 bis 250 bar), eines [[Zerstäubungstechnik#Zweistoff- oder pneumatische Zerstäuber|pneumatischen Zerstäubers]] (auch Zweistoffdüse, je nach Bauart typischerweise 1 bis 10 bar) oder eines [[Zerstäubungstechnik#Rotationszerstäuber|Rotationszerstäubers]] (je nach Bauart typischerweise 4.000 bis 50.000 1/min) wird das zu trocknende Gut zerstäubt. Dadurch wird die Gesamtoberfläche der Flüssigkeit enorm vergrößert.

Das Produkt wird in einen Heißgasstrom eingesprüht, wodurch aufgrund der großen Oberfläche in sehr kurzer Zeit die Flüssigkeit verdampft und das feuchte Gut zu einem feinen [[Schüttgut|Pulver]] trocknet. Da die Energie für die Verdampfung durch das Heißgas zur Verfügung gestellt wird, handelt es sich bei der Sprühtrocknung um eine sogenannte Konvektionstrocknung. Beim Heißgas handelt es sich zumeist um Luft; bei oxidationsempfindlichen Gütern oder leicht entzündlichen [[Lösungsmittel]]n werden aber auch [[Inertgas]]e eingesetzt. Die Eintrittstemperatur des Heißgases liegt je nach Anwendung meist unter 250 °C, in der chemischen Industrie kommen aber Temperaturen von bis zu 600 °C zum Einsatz.

Das anfallende pulverförmige Trocknungsgut wird meist durch einen [[Zyklonabscheider]] vom Luftstrom getrennt. Sprühtrockner werden im industriellen Maßstab kontinuierlich betrieben, soweit kein diskontinuierlicher [[Batchprozess]] erforderlich ist (z. B. in der Pharmaindustrie).

== Bauarten ==
Es finden sich Sprühtrockner vom Labormaßstab (Verdampfungsleistung unter 1 kg/h) über den Pilotmaßstab (abhängig von Industriebereich Verdampfungsleistung von 1 kg/h bis weit über 10 kg/h) bis zum Produktionsmaßstab (abhängig von Industriebereich Verdampfungsleistung bis über 10 t/h).

Je nach Bauart oder Verwendungszweck kann das Heißgas in Richtung mit dem Sprühstrahl oder gegen den Sprühstrahl strömen (Gleichstrom-, [[Gegenstromprinzip (Verfahrenstechnik)|Gegenstromprinzip]]). In neueren Sprühtrocknern werden teilweise auch mehrere Gasströme mit unterschiedlichen Temperaturen eingebracht, um die Trocknung und Temperaturführung zu verbessern.

Bei den meisten Trocknern befindet sich die Sprüheinrichtung im oberen Teil des Turms. Eine Ausnahme bilden hier u. a. Trockner für Waschmittelpulver; hier befindet sich die Sprüheinrichtung im unteren Teil des Trockners und wird wie ein Springbrunnen betrieben.

== Pulvereigenschaften ==
Je nach Zerstäubungstechnik sowie Feststoffgehalt der Flüssigkeit bilden sich Primärpartikel zwischen 5 und 500 µm. Abhängig von Trocknungsverhalten der Flüssigkeit sowie der Umgebungstemperatur bilden sich unterschiedliche Primärpartikelstrukturen aus, wobei es sich zumeist um homogene Partikel, Hohlkörper oder Übergangsformen handelt.

In vielen Sprühtrocknern werden auf unterschiedliche Weise die Primärpartikel zur Verbesserung der Pulvereigenschaften (z. B. Pulverfließfähigkeit, Untersinkverhalten, Staubneigung) agglomeriert. So wird beispielsweise Feingut in den Bereich der Zerstäuber zurückgeführt, um dort Agglomeration zu fördern.

Aufgrund der großen spezifischen [[Grenzfläche|Oberfläche]] lösen sich sprühgetrocknete Pulver vieler Produkte schnell auf.

== Sicherheit ==
Sprühtrockner sind aufgrund der potentiellen Anwesenheit aller der für [[Staubexplosion]]en erforderlichen Faktoren grundsätzlich explosionsgefährdet:
# Brennstoff (soweit Trocknungsgut brennbar, zumeist der Fall)
# feine Verteilung des Brennstoffs sowie große Austauschfläche
# [[Sauerstoff]] (soweit nicht mit [[Inertgas]] betrieben)
# abgeschlossener Prozessraum
# Zündquellen

Faktor 1 und 2 sind prinzipbedingt nicht vermeidbar. Da der Betrieb mit [[Inertgas]] kostenintensiv ist, ist nur bei wenigen Prozessen der Faktor 3 beeinflussbar. Der Wirkung von Faktor 4 kann bei Eintreten einer Explosion durch Druckentlastungseinrichtungen reduziert werden. Neben anderen Unterdrückungsmechanismen (z. B. Löschanlagen) wird daher zur aktiven Prävention zumeist das Risiko durch Faktor 5 durch unterschiedliche Designregeln minimiert.

Durch aus der Anlage austretenden Staub kann auch im Umfeld eines Sprühtrockners Explosionsgefahr bestehen.<ref>VDI 2263 Blatt 7:2010-07 ''Staubbrände und Staubexplosionen; Gefahren – Beurteilung – Schutzmaßnahmen; Brand- und Explosionsschutz an Sprühtrocknungsanlagen (Dust fires and dust explosions; Hazards – assessment – protective measures; Dust fires and explosion protection in spraying and drying integrated equipment).'' Beuth Verlag, Berlin, S. 22.</ref>

== Anwendungsgebiete ==
Sprühtrocknung ist weit verbreitet in der [[Chemische Industrie|chemischen Industrie]] sowie in der [[Pharmaindustrie|Pharma-]]<ref name="Ebel">Siegfried Ebel und [[Hermann Josef Roth|Hermann J. Roth]] (Herausgeber): ''Lexikon der Pharmazie'', Georg Thieme Verlag, 1987, S. 605, ISBN 3-13-672201-9.</ref> und [[Lebensmittelindustrie]]. Sie wird auch in der [[Abgasreinigung]] von [[Müllverbrennung]]sanlagen eingesetzt, um das Rauchgas abzukühlen<ref>Joachim Binnig: ''Stand der Technik bei der Entstaubung von Müllverbrennungsanlagen.'' In: ''[[Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft|Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft]].'' 69, Nr. 5, 2009, S. 175–179.</ref> und einen [[Abwasser]]-freien Betrieb zu ermöglichen.<ref>[[VDI 3460|VDI 3460 Blatt 1]]:2014-02 ''Emissionsminderung; Thermische Abfallbehandlung; Grundlagen (Emission control; Thermal waste treatment; Fundamentals).'' Beuth Verlag, Berlin. S. 131, 161–162.</ref>

Für empfindliche Stoffe, beispielsweise [[Hormon]]e, [[Proteine]], [[Vitamine]] und [[Ätherisches Öl|ätherische Öle]], ist die Sprühtrocknung die Methode der Wahl. Die Sprühtrocknung dient auch als Verfahren zur [[Mikroverkapselung]] ätherischer Öle oder anderer [[oxidation]]sempfindlicher Stoffe. Weitere konkrete Beispiele für die Anwendung sind [[Milchpulver]] (Trockenmilch), [[Babynahrung#Industriell hergestellte Babynahrung|Muttermilchersatz]], [[Eipulver]], [[Löslicher Kaffee#Sprühtrocknung|löslicher Kaffee]] (Pulverkaffee), [[Pulverleim]], [[Waschmittel]]pulver, [[Dünger|Düngemittel]] und Keramikpartikel. Neben der schonenden Trocknung sind hierbei auch gute Handhabungseigenschaften sprühgetrockneter Pulver wie beispielsweise eine gute Löslichkeit ausschlaggebend für die Verfahrenswahl.

== Literatur ==
* B. Bhandari, K. C. Patel, X. D. Chen: ''Spray drying of food materials – process and product characteristics'' in X. D. Chen, A. J. Mujumdar: ''Drying Technologies in Food Processing'', 2008, ISBN 1-4051-5763-1
* I. Filková, L. X. Huang, A. S. Mujumdar: ''Industrial Spray Drying Systems'' in A. S. Mujumdar: ''Handbook of Industrial Drying'', 2015, ISBN 978-1-4665-9666-5

== Siehe auch ==
* [[Zerstäubungstechnik]]
* [[Trocknung]]
* [[Gefriertrocknung]]

== Weblinks ==
* [https://web.archive.org/web/20221001141941/https://www.gbm.dk/gbm/SD-e.htm Animation (im Webarchiv)]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{SORTIERUNG:Spruhtrocknung}}
[[Kategorie:Trocknungsverfahren]]

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