Wat is drogen?

Drogen is een veel voorkomend proces in de industrie. Drogen is een techniek die gebruikt wordt om vloeistof van een product te scheiden door middel van verdamping. Als een product thermisch wordt gedroogd, zijn er twee processen die tegelijk plaatsvinden:

  • De energieoverdracht (meestal warmte) van de omgeving naar het product om het oppervlak vocht te verdampen van het product
  • Interne vochtdiffusie naar het oppervlak van het product

Beide processen zijn in onderstaande figuur gevisualiseerd:
Principe drogen
De energieoverdracht van de omgeving naar het oppervlak kan plaatsvinden door convectie, geleiding en/of straling. De energieoverdracht is extern gelimiteerd en is onder andere afhankelijk van temperatuur, luchtvochtigheid en debiet, oppervlakte en werkdruk. De vochtdiffusie is intern gelimiteerd en is afhankelijk van fysieke eigenschappen van het product, temperatuur en vochtconcentratie. De snelheid van het gehele proces is afhankelijk van de snelheid van de twee bovenstaande processen.

Energieoverdracht

Om vocht te kunnen verdampen is warmte benodigd. De warmte wordt vanuit de omgeving toegevoerd aan het te drogen product. De warmteoverdracht wordt beschreven met de volgende vergelijking:

Φwarmte = k * A * ∆T (W)

De warmteoverdracht kan op verschillende manieren worden beïnvloed:

  • k (W/m2K) is de warmteoverdrachtscoëfficient. Bij directe drogers kan deze worden beinvloedt door bijvoorbeeld de luchtsnelheid te vergroten.
  • A (m2) is het contactoppervlak van het product en de omgeving. Een groter oppervlak maakt meer warmteoverdracht mogelijk. Een vermalen of versneden product is daarom beter te drogen dan een groot blok.
  • ∆T (K) is het verschil tussen de temperatuur van de omgeving en de oppervlaktetemperatuur van het product. Door de temperatuur van de omgeving (bv. de drooglucht) te verhogen, kan de warmteoverdracht worden vergroot. Bij verdamping neemt het productoppervlak de natte bol temperatuur van de omgeving aan. Door de relatieve vochtigheid van de omgeving te verlagen, zal de temperatuur van het productoppervlak afnemen en de warmteoverdracht worden vergroot.

Vochtdiffusie

Door de energieoverdracht verdampt vocht aan het oppervlak van het product. Hierdoor wordt het productoppervlak droger dan de kern van het product. Door het verschil in vochtgehalte tussen de kern en het oppervlak van het product ontstaat vochtdiffusie. Vochtdiffusie is de interne vochtoverdracht in het product. De vochtdiffusie wordt vereenvoudigd beschreven met de volgende vergelijking:

Φmassa = D * A * ∆c/∆x (kg/s)

De vochtdiffusie kan op verschillende manieren worden beïnvloed:

  • D (m2/s) is de vochtoverdrachtscoëfficient. Deze is onder andere afhankelijk van de samenstelling van het product.
  • A (m2) is het doorsnede oppervlak van het product. Het doorsnede oppervlak varieert en is rondom de kern van het product veel kleiner dan aan het productoppervlak.
  • ∆c (kg/m3) is het concentratieverschil tussen de kern van het product en het productoppervlak. Door de vochtconcentratie aan het oppervlak te verlagen, wordt de vochtdiffusie bevorderd.
  • ∆x (m) is de afstand van de kern van het product tot het productoppervlak. Een kortere afstand, ofwel een kleiner product bevordert de vochtdiffusie.

Vochtdiffusie is over het algemeen een traag proces, dat vaak de beperkende factor vormt voor de droogsnelheid.

Gebonden vocht en vrij vocht

Er wordt onderscheid gemaakt tussen gebonden vocht en ongebonden vocht. Gebonden vocht zit in de structuur van het product en heeft een lagere dampspanning dan pure vloeistof. Vocht met een grotere dampspanning dan pure vloeistof is niet gebonden en wordt ongebonden vocht genoemd.

Het ongebonden vocht kan door middel van drogen volledig van een product worden verwijderd. Het gebonden vocht kan slechts gedeeltelijk door middel van drogen worden verwijderd, totdat een evenwichtssituatie wordt bereikt. De som van het ongebonden vocht en het gebonden vocht dat door middel van drogen uit een product kan worden verwijderd wordt vrij vocht genoemd.

Droogcurve

De typische droogeigenschappen van een product kan worden beschreven met behulp van een droogcurve. In onderstaande figuur is een droogcurve weergegeven met daarin het vochtgehalte als functie van de tijd.
Droogcurve
Gedurende het droogproces kunnen we drie periodes onderscheiden:

  • A-B Initiële droogperiode
  • B-C Constante droogsnelheid
  • C-E Afnemende droogsnelheid

De initiële droogperiode is de start van het droogproces, afhankelijk van verschillende parameters kan deze sneller of langzamer verlopen dan de volgende fase. Tijdens fase B-C is de droogsnelheid constant. Het oppervlak bevat ongebonden vocht. In deze periode is de snelheidsbepalende stap de diffusie van water naar de gasfase. Aan het einde van deze fase is er een interne vochtdiffusie naar het oppervlak. Wanneer het gemiddelde vochtgehalte de kritische waarde heeft bereikt (C), neemt het oppervlakte vocht af waardoor de limitering intern wordt. De droogsnelheid neemt hierdoor af (C-D). Later (D-E) neemt de droogsnelheid nog verder af door interne limitering en uiteindelijk word een evenwicht bereikt (E).