Handbook of Industrial Drying

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41 Drying of Polymers
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· November 2006
DOI: 10.1201/9781420017618.ch41
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Mainul Hasan
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41
Drying of Polymers
Arun S. Mujumdar and Mainul Hasan
CONTENTS
41.1
Introduction ......................................................................................................................................... 954
41.2
Common Polymerization Processes ..................................................................................................... 954
41.2.1
Bulk Polymerization ................................................................................................................ 954
41.2.2
Solution Polymerization .......................................................................................................... 955
41.2.3
Suspension Polymerization...................................................................................................... 955
41.2.4
Emulsion Polymerization ........................................................................................................ 955
41.2.5
Gas-Phase Polymerization....................................................................................................... 956
41.3
Dryer Classification.............................................................................................................................. 956
41.3.1
Classification by Mode of Heat Transfer ................................................................................ 956
41.3.1.1
Indirect Dryers ...................................................................................................... 956
41.3.1.2
Direct Dryers ........................................................................................................ 956
41.3.2
Classification by Residence Time ............................................................................................ 956
41.3.2.1
Short Residence Time ........................................................................................... 956
41.3.2.2
Medium Residence Time....................................................................................... 956
41.3.2.3
Long Residence Time............................................................................................ 957
41.3.3
Other Considerations .............................................................................................................. 957
41.3.4
Common Polymer Dryers ....................................................................................................... 957
41.3.4.1
Rotary Dryers ....................................................................................................... 957
41.3.4.2
Flash Dryers.......................................................................................................... 957
41.3.4.3
Spray Dryers ......................................................................................................... 958
41.3.4.4
Fluidized Bed Dryers ............................................................................................ 958
41.3.4.5
Vibrated Fluidized Beds........................................................................................ 958
41.3.4.6
Contact Fluid-Bed Dryers..................................................................................... 959
41.3.4.7
Paddle Dryers........................................................................................................ 959
41.3.4.8
Plate Dryer............................................................................................................ 959
41.3.4.9
DRT Spiral Dryers ............................................................................................... 960
41.3.4.10
Miscellaneous Dryers ............................................................................................ 961
41.4
Typical Drying Systems for Selected Polymers .................................................................................... 963
41.4.1
Drying of Polyolefins............................................................................................................... 963
41.4.1.1
Polypropylene ....................................................................................................... 963
41.4.1.2
High-Density Polyethylene.................................................................................... 965
41.4.2
Drying of Polyvinyl Chloride .................................................................................................. 965
41.4.2.1
Emulsion Polyvinyl Chloride ................................................................................ 965
41.4.2.2
Suspension Polyvinyl Chloride.............................................................................. 966
41.4.2.3
Vinyl Chloride–Vinyl Acetate Copolymer ............................................................ 968
41.4.3
Drying of Acrylonitrile–Butadiene–Styrene ............................................................................ 968
41.4.4
Drying of Synthetic Fibers ...................................................................................................... 970
41.4.4.1
Nylon .................................................................................................................... 970
41.4.4.2
Polyester................................................................................................................ 971
41.4.5
Miscellaneous .......................................................................................................................... 971
41.5
Drying of Polymer Resins .................................................................................................................... 971
41.5.1
General Observations .............................................................................................................. 972
41.5.1.1
Nonhygroscopic Resins......................................................................................... 972
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

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41.5.1.2
Hygroscopic Resins................................................................................................. 972
41.5.2
Drying Methods ...................................................................................................................... 972
41.5.2.1
Drying with Heat as Transfer Medium................................................................... 972
41.5.2.2
Drying without a Heat Transfer Medium............................................................... 973
41.6
Drying of Selected Polymers ................................................................................................................ 974
41.7
Conclusion ........................................................................................................................................... 976
Acknowledgments .......................................................................................................................................... 978
References ...................................................................................................................................................... 978
41.1 INTRODUCTION
Spurred by continually escalating energy costs, along
with the advent of new competitive polymers accom-
panied by new and extended applications of polymers
and plastics, interest in the energy-intensive operation
of drying of polymers has been on the rise in recent
years.
Drying is one of the prime polymer recovery op-
erations performed before transfer to the compound-
ing plant or packaging for direct use. It is the part of
the process in which the polymer is handled essen-
tially as a solid and liquid and gas streams become
relatively minor. In polymer production, other recov-
ery operations include salvation of the unreacted
monomer and solvent, coagulation and precipitation,
concentration and devolatilization, and liquid–solid
separation [1].
Although drying is the oldest and most commonly
encountered of all unit operations of chemical engin-
eering, it is one of the most complex and least under-
stood operations. One of the prime reasons for this
state of affairs is the enormous diversity of drying
equipment; over 100 clearly identifiable different
types of dryers are in commercial use around the
world. Depending upon the nature of the processing
mode, physical state of the feed, mode of heat and
mass transport, operating temperature and pressure,
and other factors, one can classify existing dryers into
so many different types that it is impossible to de-
velop or hope to develop generalized procedures for
analysis of all types of dryers [2].
This chapter provides a few guidelines for the
selection of polymer dryers and discusses the alterna-
tives available. Picking the best dryer for a specific
polymer application is beyond the scope of this chap-
ter because of many variables involved in such selec-
tion. Since most of the work in this area is proprietory
in nature with very little information available in the
open literature, it is therefore believed that this chap-
ter will help to overcome the initial agonies of a
polymer engineer in selecting dryers for water- or
solvent-wet granular polymer particles.
For better understanding of the subject for a
nonspecialist in polymer technology, a brief survey
is given about the various polymerization techniques
employed commercially before discussion of the dry-
ing equipment.
41.2 COMMON POLYMERIZATION
PROCESSES
The selection of dryers for polymer drying depends to
a large extent on the upstream operations, e.g., poly-
merization, since the behavior of a polymerization
reaction and the properties of the resulting polymer
can vary greatly according to the nature of the physical
system in which the polymerization reaction is carried
out. Several processes are used commercially to pre-
pare polymers. Each process has its advantages, usu-
ally depending on the type and final use of the polymer.
The following types of polymerization processes based
on physical systems are considered briefly in this sec-
tion: (1) bulk; (2) solution; (3) suspension; (4) emul-
sion; and (5) gas-phase polymerization [3].
41.2.1 B
ULK
P
OLYMERIZATION
The polymerization of the pure monomer without
diluent is called
bulk polymerization
or
mass polymer-
ization
. The monomer (e.g., styrene, vinyl chloride
(VC), vinyl acetate (VA), acrylic esters, butadiene,
or acrylonitrile) is first purified to remove oxygen or
other inhibitors (by bubbling nitrogen through it, by
distillation, or by evacuation) and then the polymer-
ization is started through heating, ultraviolet (UV)
radiation, or the addition of an initiator (e.g., perox-
ides, azo compounds, and others). Usually, after a
short period of heating, the reaction mixture con-
tinues to heat by itself, and therefore it is necessary
to remove the heat by cooling. With increasing con-
version, because of the rapidly increasing viscosity of
the polymer–monomer mixture, this becomes more
and more difficult. With large amounts of monomer,
bulk polymerization often takes very turbulent and
even explosive form as a result of the rapidly increas-
ing temperature. The violence of the reaction is even
further increased by the increase in the radical con-
centration that occurs with increasing viscosity.
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

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Because of the difficulty in heat removal, bulk poly-
merization is only carried out in a few cases. However,
in the cases in which it is used, it is done on a very large-
scale, e.g., the bulk polymerization of styrene or
ethylene (high-pressure process). Since in this type of
polymerization the possibility of chain transfer is rela-
tively small and because of self-acceleration, other poly-
mers with high molecular weights are found. One of the
characteristics of this process that is always a technical
advantage is the great purity of the polymer resulting
from the lack of additives during polymerization.
41.2.2 S
OLUTION
P
OLYMERIZATION
For solution polymerization, a solvent inert to the
monomer is used to control the polymerization. High
exothermicity is limited by dilution, causing the reac-
tion rate to be slowed owing to solvent addition. The
solvent is recycled after cooling and is sent back to the
polymerization reactor. The concentration of the solv-
ent is chosen in such a way that the polymerization
mixture can still be stirred after complete conversion.
Solution polymerization has been employed almost
exclusively in cases in which the polymer is then used in
the form of solutions (50 to 60%) for lacquers, adhe-
sives, impregnation materials, and other products.
Obtaining the pure polymer by distilling off the solvent
is complicated because the hard polymer cannot be
taken out of the vessel after evaporation of the solvent.
Through construction of extruders with vacuum distil-
lation zones and by using other special evaporators, it is
possible to separate the polymer from the solvent.
In this process the choice of the solvent’s chain
transfer constant is very important because this influ-
ences the molecular weight to a considerable extent.
Because of chain transfer with the solvent and be-
cause of the lower monomer concentration, the mo-
lecular weight of polymers prepared by solution
polymerization is usually lower than that of the cor-
responding bulk polymers.
Commercially, solution polymerizations are not
carried out to high conversions (near 100%) but
continuously at a constant monomer concentration.
The unreacted and evaporated monomer is recycled
together with the solvent. This type of production
process has two advantages. The reactor always
works in a range of high polymerization rates, and
the molecular weight distribution curve is not so
broad as it is with polymers produced in a discontinu-
ous process with high conversions.
41.2.3 S
USPENSION
P
OLYMERIZATION
In the suspension polymerization process, water is
used to control heat generation. A catalyst is dis-
solved in the monomer, which is dispersed in water.
A dispersing agent is incorporated to stabilize the
suspension formed. For any nonpolar monomers,
this method offers a method of eliminating many of
the problems encountered in bulk and in solution
polymerization, especially the heat dissipation prob-
lem in the former and solvent reactivity and removal
of the latter.
Another attractive feature of large batch prepar-
ations is that the polymeric products obtained from a
suspension polymerization, if correctly carried out,
are in the form of finely granulated beads that are
easily filtered and dried.
On a technical scale, suspension polymerization is
used in the production of polyvinylchloride, polystyr-
ene, polymethyl methacrylate, and others. For the
production of rubbery, sticky, polymers (e.g., the
polyacrylates), this is less suitable.
41.2.4 E
MULSION
P
OLYMERIZATION
The emulsion polymerization process is similar to
suspension polymerization. This process is also car-
ried out in a water medium. An emulsifier, either
anionic soap or cationic soap, is added to break the
monomer into very small particles. The initiator is in
solution in the water. After polymerization, the poly-
mer can be precipitated, washed, and dried, or the
mixture can be used directly (e.g., latex paint).
Emulsion polymerization is superficially related
to suspension polymerization, but the kinetic rela-
tionships are entirely different. The major causes of
the differences are: first, the monomer droplets in the
latter system are approximately 0.1 to 1 mm in size
and the particles in the former are approximately
10
7
to 10
6
mm in size; and second, the catalyst
is dissolved in the aqueous phase in the latter but is
incorporated directly into the droplets in the former.
In all cases in which the presence of an emulsifier
is not disturbing, emulsion polymerization is advan-
tageous. In comparison with other polymerization
techniques, it has the following advantages: (1) the
polymerization heat can be removed very easily and
(2) the viscosity of the lattices, even with high con-
centration (up to 60%), is low in comparison with
corresponding solutions.
One large-scale use of this process is in the
production of synthetic rubber and, on a small-scale,
in the production of polyvinyl chloride (PVC) and
polystyrene. The other large-scale use is in the pro-
duction of plastics dispersions used as such (without
first coagulating them) for the production of paints,
pigments, inks, coatings, and adhesive paste (e.g.,
polyvinyl acetate, polyvinyl propionate, and poly-
acrylic ester dispersions).
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

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41.2.5 G
AS
-P
HASE
P
OLYMERIZATION
The term
gas-phase polymerization
is a misnomer in
that it refers only to a polymerization reaction initi-
ated on monomer vapors, generally by photochemical
means. High-molecular weight polymer particles are
not volatile, so a fog of polymer particles containing
growing chains quickly form and the major portion of
the polymerization reaction occurs in the condensed
state.
High-uniformity
polyethylene
(PE)
can
be
manufactured by passing gaseous ethylene through
an active chromium-containing catalyst bed. Other
monomers that have been polymerized successfully
in the gas phase include methyl methacrylate, VA,
and methyl vinyl ketone [4].
41.3 DRYER CLASSIFICATION [5–7]
41.3.1 C
LASSIFICATION BY
M
ODE OF
H
EAT
T
RANSFER
41.3.1.1 Indirect Dryers
Indirect dryers, also called nonadiabatic units, separ-
ate the heat transfer medium from the product to be
dried by a metal wall. These dryers are subdivided on
the basis of heat applied by radiation or through heat
transfer surface and also by the method in which
volatile vapors are removed.
Heat transfer fluids may be of either the condens-
ing type (e.g., steam and diphenyl fluids, such as
Dowtherm A) or the liquid type (e.g., hot water and
glycol solutions). Because of low film coefficients of
the noncondensing gaseous system, it is seldom used
as the heating medium.
Indirect dryers have several distinctive operating
features: (1) the risk of cross-contamination is
avoided since the product does not contact the heat-
ing medium; (2) since a limited amount of gas is
encountered, solvent recovery is easier than with an
adiabatic dryer; (3) dusting is minimized because of
the small volume of vapors involved in indirect dry-
ing; (4) dryers allow operation under vacuum or in
closely controlled atmospheres that can avoid prod-
uct degradation; and (5) explosion hazards are easier
to control.
Typically, indirect dryers are used for small- or
medium-size production. The product from such a
unit has a higher bulk density than the same material
processed in direct dryers. Particle size degradation
usually can be minimized by proper selection of agi-
tator speed or design. The common indirect heated
dryers are tubular dryers (with or without vacuum),
drum dryers (atmospheric, vacuum, horizontal or ro-
tary vacuum, and others), hollow disk dryers, paddle
dryers, mechanically fluidized bed dryers, pneu-
matically conveyed dyers, cone or twin-shell dryers,
and others.
41.3.1.2 Direct Dryers
Direct dryers or adiabatic or convective dryers trans-
fer heat by direct contact of the product with the hot
gases. The gases transfer sensible heat to provide the
heat of vaporization of the liquid present in the solid.
Direct dryers may use air, inert gas, superheated
vapor, or products of combustion as the heating
medium. Combustion gases are seldom used in poly-
mer drying because of possible product contamin-
ation. Inert gas eliminates the explosion and fire
hazard and may be desirable to prevent oxidation of
polymers prior to the introduction of stabilizers. Use
of superheated vapor as a heat carrier is highly desir-
able when solvent is vaporized in the dryer and has to
be recovered.
Commonly used direct dryers in polymer plants
are rotary warm air, fluidized bed, flash, spray, tun-
nel, and various vibrating and spouted bed (SB)
types. All these have a common disadvantage. The
amount of air or hot gas required is fairly large, which
causes the auxiliary equipment needed (e.g., air heat-
ers, blowers, and dust collectors) to be sized accord-
ingly; the thermal efficiency is also lower than that of
indirect dryers.
Although this classification of dryers has some
importance, it is quite difficult to apply it in more
than a general way. Both types of dryers are commonly
used in polymer-drying processes. Often a combin-
ation of direct and indirect drying is economically
the most efficient solution to some polymer-drying
problems.
41.3.2 C
LASSIFICATION BY
R
ESIDENCE
T
IME
The pressing need of product quality in the plastics
industry also forces one to consider residence time
distribution of the product when comparing dryers.
41.3.2.1 Short Residence Time
The short residence time category comprises spray
dryers, pneumatic dryers, and thin-film dryers in
which the residence time may be of the order of
several seconds.
41.3.2.2 Medium Residence Time
Continuous fluid-bed dryers, steam tube rotary
dryers, and rotary dryers can be designed to provide
medium residence time (of the order of minutes).
ß
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41.3.2.3 Long Residence Time
Rotary dryers, batch fluid dryers, continuous or
batch tray dryers, hopper dryers, multispouted bed,
and vacuum tumble dryers are typical long-residence
units used in polymer drying.
41.3.3 O
THER
C
ONSIDERATIONS
On the basis of the polymerization alone, it is difficult
to specify definite dryer selection rules since typically
polymer properties differ over a wide range. The choice
of dryer is also limited by the physical properties of the
polymers, e.g., polymer-handling characteristics, indi-
vidual or closely related drying curves, properties of the
emitted volatiles, limitations on temperature, and par-
ticle size and distribution requirements. Other factors
include equipment space limitations, production rates,
pollution control requirements, solvent recovery,
thermal sensitivity, and product quality specifications.
The primary step in specifying a dryer is to define
the physical, thermal, and chemical properties of the
product and the volatiles present. Often the consist-
ency of the feed reduces the choice of dryer. A few
guidelines are always helpful in selecting polymer
dryers. For example, if a solvent must be evaporated
and then recovered, it is usually not desirable to choose
a convection dryer. Since solvent must be condensed
from a large carrier gas flow, the condenser and other
equipment become rather large. If the maximum prod-
uct temperature is lower than about 30
8
C, it is possible
to specify a vacuum dryer. If the average particle size is
about 0.1 mm or larger, a fluidized bed dryer may be
considered, or if the feed is a slurry or paste a spray
dryer may be a judicious choice. Scaling is another
important factor that can dictate dryer selection. For
example, if the requirements are to produce high ton-
nage of a polymer in one line, it probably would be
advantageous to consider a fluid-bed dryer rather than
a mechanical rotating type.
The reader is referred to other chapters of this
handbook for details concerning specific dryers
discussed.
41.3.4 C
OMMON
P
OLYMER
D
RYERS
41.3.4.1 Rotary Dryers
Historically, rotary dryers (RDs) have been the most
popular in polymer-drying operations. A rotary dryer
consists of a slowly revolving drum (often fitted with
internal flights or lifters) through which both the
material and the gas pass. Gas, cocurrent or counter-
current with the granular polymer, can be introduced
at either end of the cylindrical shell.
Solids move through the dryer by the effect of grav-
ity, the rotation of the cylinder, and gas flow (in the case
of cocurrent units). Internal scoops, blades, and lifters,
which give the solids a showering pattern, are provided
for better gas–solid contact. Baffles and dam rings are
also available to retard the forward motion of the solids
and to increase residence time (5 to 20 min is common;
much larger times are also found in drying of certain
polymer pellets).
An improvement over the standard rotary dryer is
the steam tube rotary dryer. Here, two or three rows
of steam tubes are located in concentric circles within
the shell, which extend the full length of the cylinder.
The tubes together with a series of small radial flights
serve to agitate the material for uniform drying.
These types of dryers were used in the polymer indus-
tries for heat-sensitive polymers requiring indirect
heating.
With the advent of the new and energy-efficient
dryers, rotary dryers nowadays are seldom used in
polymer drying in new polymer plants. Modified
fluid-bed dryers as well as novel spouted bed dryers
can replace rotary dryers in many applications.
41.3.4.2 Flash Dryers
The flash dryer (FD) is a direct-type, cocurrent unit
that is essentially a long vertical tube with no moving