Handbook of Industrial Drying

particle size; (2) a bility to han dle pol ydisperse soli ds;
(3) ability to operate at low aeration rates and hence
lower pressure drops; (4) gen tle ha ndling of pro duct;
(5) higher heat trans fer and drying rates, and others .
Since the equipment is mo unted on resonan ce spring s,
the power co nsumpt ion for vibrat ion is mini mal for
well-d esigne d VFB [6].
The vibration vector is typicall y a pplied at a smal l
angle to the vertical to permit conveying of the solid s
in the long direction at the desir ed rate. This permi ts
control of resi dence times an d also be tter con trol of
the drying or heati ng rates as the material progres ses
downst ream.
41.3.4 .6 Cont act Flui d-Bed Dryers
Conta ct FB units are ch aracterize d by the residence
time distribut ion of the individ ual pa rticles insi de the
unit. A broad resi dence time dist ribution is obtaine d
in a back -mixed FB in which the lengt h/width rati o of
the be d is relat ively small. The na rrow residen ce time
distribut ion is obtaine d in a plug-flow FB in which
the lengt h/widt h ratio of FB is very large . This cor-
responds to a long, narrow FB. Alternat ively, this can
be obt ained by compart menta lizing FB and is the
usual practice followe d in the indust ry.
Compared with the plug-flow FB, a back-mixed FB
has a significant advantage inasmuch as the back-mixed
FB can accept a feed material that is not readily fluidiz-
able. This is possible owing to the vigorous mixing
inside FB and that the material inside the bed acts as a
large reservoir in which incoming feed material will be
dispersed and the surface moisture will be flashed off,
making the product fluidizable. This characteristic
makes the back-mixed FB concept well suited as the
predrying stage in many polymer-drying systems.
The plug-flow FB drying con cept is parti cularly
suitable for drying bound mois ture from heat-sensi tive
material s since the resi dence time is control led wi thin
narrow lim its. In the typical polyme r applic ation, this
means that the bound mois ture can be remove d from
the polyme r product at the low est possible produ ct
tempe rature.
Thes e two concepts, along with heating of the bed
indirec tly by imm ersed heat exchange surfa ces, are
jointly util ized in co ntact FBD. In FB applic ations
for polymers with indirect heating, the temperature of
the heating panels is typically limited by the softening
point of the polymer.
41.3.4.7 Paddle Dryers
The paddle type of dryer, marketed by Nara Machin-
ery Company of Japan, is an indirect dryer for granu-
lar or powdery material that dries such materials by
bringing them into contact with revolving, cuneiform
hollow heaters (paddles) without using gas as a heat-
ing medium. The paddles revolve at a low speed (10 to
40 rpm) inside the grooved trough fitted with a jacket
(
Figur e 41.1
) .
The heating medium passes inside the hollow pad-
dle so that the entire surface of the paddles and shafts
acts as the heat transfer surface. The cuneiform blade
enhances agitation of the material and at the same
time prevents the powder from adhering to the heat
transfer surface. For greatest heating efficiency the
dryer is tilted slightly in the direction of product
flow and is designed so that the material contacts all
heated surfaces, both front and back. The wet prod-
uct is fed continuously at the top of the dryer at one
end. As the powder is agitated slowly by the heated
rotating paddles, the moisture generated is conveyed
out by a flow of hot air or other gas.
The main features of the paddle dryer are: (1) it is
compact; (2) has high heat transfer coefficient and
good thermal efficiency; (3) the paddles have an inter-
play for self-cleaning; (4) it is easy to control; and
(5) a small amount of gas is required that minimizes
dusting and other problems.
Paddle dryers have been successfully used in dry-
ing such polymers as VC resin, nylon pellets, and
polypropylene (PP), as well as polyethylene. Operated
in a closed-cycle mode they can recover organics from
such solvent-laden products as polyethylene or PP
and can reduce the air volume requirement to only
5 to 10% of that used in direct dryers.
Energy requirements for such dryers are also
lower. It is seen that 1300 to 1500 Btu is required to
dry 1 lb of moisture with the paddle dryer compared
with 3000 Btu/lb for a suspended air unit. Because of
the smaller air volume needed, the sizes of down-
stream condensers and refrigeration system units are
reduced.
41.3.4.8 Plate Dryer
The plate dryer (PD) is an indirect dryer in which heat
transfer is accomplished by conduction between the
heated plate surface and the product. It comes under
three major variations, e.g., atmospheric, gas tight,
and vacuum.
In these dryers, the product to be dried is metered
and continuously fed onto the top plate. A vertical
rotating shaft provided with radial arms and self-
aligning plows conveys the product in a spiral pattern
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

---

across stationar y plate s. The plates are heated by a
liquid medium or steam. Small plate s with intern al
rims an d large plate s with exter nal rim s are arrange d
in an alte rnating sequ ence (Figure 41.2) .
Thi s arrange ment makes the product drop from
the outsi de edge of the small plate down to the large
plate, on which it is co nveyed to the insid e ed ge, and
then drops to the foll owing smaller plate, where it is
conveyed again toward the ex ternal edge. This de sign
of the conveying system en sures plug flow of the
produc t throu ghout the entir e dryer. Each plate or
group of plate s may be heated or cooled indivi dually ,
thus offer ing precis e con trol of the prod uct tempe ra-
ture an d the possibili ty of adjust ing a tempe rature
profile dur ing the drying process . Thermal deg rad-
ation of sensitiv e mate rials can thus be avoided, and
cooling subsequent to drying can be achieve d.
In the plate dryer, the produ ct layer is kept shal-
low (approxi mate ly 10 mm). The entir e plate surface
is utilized for heat trans fer. The product su rface ex-
posed to the surround ing atmos phere is even large r
than the actual ‘‘wetted’’ heat exchange surfa ce. The
design of the pro duct-c onveying syst em ensures pro d-
uct turnover numbers in the range of 200 to 1500.
A thin prod uct layer on a large heat exchan ge surface
coupled wi th high product turnover impr oves both
heat an d mass transfer rates. Fr om va cuum plate
dryers , the evaporat ed volatile s are remove d by
evacuat ion. Solvent s ca n be recover ed economic ally
by simple conden sation [8].
Plate dryers are typicall y fabri cated in a mod ular
design; this yiel ds a wide range of dryer sizes with a
heat exc hange surface betw een 3.8 and 175 m 
2
.
41.3.4.9 DRT Spiral Dryers
DRT is a recent innovation among the nonadiabatic
contact dryers. It utilizes heat from a jacketed wall
and transmits it to a thin, fast-moving product film
rising in a spiral path along the inner wall surface
(
Figur e 41.3
). A very small qua ntity of the conveying
medium is required to move the vapor from the dryer
FIGURE 41.1
Paddle dryer.
2
2
2
2
2
2
+
+
1
3
2
2
2
2
2
2
4
5
1. Product
2. Heating or
cooling
medium
3. Shell
housing
4. Conveying
system
5. Plate
FIGURE 41.2
Plate dryer.
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

---

since the heat trans fer rate is ve ry high and the cross-
section al gas flow area is smal l.
The jacketed outer cylinde r rests on a ba se, which
also embo dies the produc t inlet. Product film mo ves
spirally up the inner wal l, and dry powder is dis-
charged at the top.
A steam -heated concentri c displacement body is
placed within this cyli nder, which rotates slow ly by an
extern al-geared motor. M any segme nted air guides
are pro vided on the outer surfa ce of the cylind er
and are arrange d at a suitab le an gle. The dist ance
between these plate s and the inner wall must be
greater than the product film thickne ss.
Convey ing gas is blown tangent ially by means of a
blower into the tube base enteri ng oppos ite a wet-feed
metering screw. As a resul t, the gas disper ses the wet
feed by intens e mixing. Pro duct film is creat ed by the
inertial force, which threads its way upwar d in a spira l
path until it reaches the exh aust port.
Du ring this flight through the dry er, the con vey-
ing gas an d the product are heated by the jacketed
tube wall and the inner displacemen t body surfa ce.
Therefor e, both gas and pro duct tempe rature increa se
in the cyli nder with a concomit ant increa se in the gas
absolut e humidi ty. This ensures that product mois -
ture is low ered up to the dischar ge poi nt, despite
increa sing mois ture pa rtial pr essure. This increa sing
driving force gu arante es low er final mois ture content s
when compared with a co nvection al flash dryer.
DRT is suitable for wat er-wet and solvent-w et
chemi cals, polyme rs, flour, and other products that
are in a powder y form. For removing low-boiling
solvents from polyme ric produ cts, it acts be st as a
predryer to a fluid-bed postdry er [9].
Among the advantag es claimed are: (1) increa sed
thermal effici ency; (2) low er power consumpt ion; (3)
compact ness; (4) gentl e dr ying; (5) reduced produ ct
holdup; (6) quick turnaro und; (7) capabil ity of using
low-pres sure was te steam for drying; (8) low produ ct
moisture content; (9) simple operation; and (10) min-
imum dust explosion potential. The unit also features
low gas flow rates, short residence times (3 to 10 s),
and high throughput (up to 20 t/h).
41.3.4.10 Miscellaneous Dryers
A number of proprietory dryers suitable for various
polymer-drying operations are available in the mar-
ket. Among them are the Solidaire, Continuator, Tor-
usdisc , and Ther mascrew (
Figure 41.4
) [10] .
Solidaire is a continuous dryer consisting of a
mechanical agitator rotating with a cylindrical hous-
ing, usually jacketed for indirect heating. The agitator
is equipped with a large number of narrow, flat,
adjustable-pitch paddles that sweep close to the
inner surface of the housing. Residence time can be
varied from seconds to 10 min by changing either the
pitch of the paddles or the speed of the rotor. High
paddle speed breaks up agglomerates and continually
exposes new surface to the heat. It has been success-
fully used for drying ABS, PC, polyvinyl alcohol,
polyolefins, and other polymers.
The Continuator is used primarily for removing
tightly entrapped volatiles and for process applica-
tions requiring a long residence time. The mild agita-
tion employed in this device provides gentle product
mixing that minimizes ‘‘short-circuiting’’ while redu-
cing particle breakup. This type of dryer can process
polyethylene, PP, PVC, and other polymers.
The Torusdisc is another proprietory design par-
ticularly useful in processes that require high-capacity
heating or cooling. Its chief advantage is its versatil-
ity. A single unit can be varied over a wide range of
heat transfer coefficients, residence times, and tem-
perature profiles. It consists of a stationary horizontal
vessel with a tubular rotor on which are mounted the
doubled-walled disks. These hollow disks provide ap-
proximately 85% of the total heating surface. It has
been used commercially for drying ABS, PCs, poly-
olefins, and other polymers.
Thermascrew is a hollow screw, jacketed trough
dryer that provides three to four times more heat
transfer surface than simple jacketed screw conveyors
and six times more than water-cooled drums. In either
11
10
9
4
3
1
2
5
8 6 7 4
1 Conveying gas
2 Bottom bearing/support unit
3 Rotating tube
4 Air guide plates
5 Moist product
6 Product film
7 Flow channel
8 Heating or cooling jacket
9 Dry product and conveying gas
10 Head
11 Drive for rotating tube
FIGURE 41.3
DRT spiral dryer.
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

---

continuous or batch operation, it provides efficient
and uniform heating, cooling, evaporating, or other
processing. It can operate in either a pressure or a
vacuum environment. Polyester and polyolefins are
among the materials dried with good thermal effi-
ciency in such devices.
Among recent developments in dryers is the
Yamato band FBD [11]. This is a modified FBD
having all the components of a standard FBD with
an additional carriage means with multiple blades
mounted thereon and projecting there from for
effective fluidization and transportation of materials
(Figure 41.5).
The carriage includes a crank mechanism for
effecting a circular or linear movement of the blades.
It is driven in such a manner that the blades scratch
and fluidize the material being treated in cooperation
with a heated gas. The fluidized bed is thus carried or
conveyed toward the outlet port. The blades on the
carriage extend in close proximity to the surface of the
gas distributor plate. The blades may be straight,
curved, or T-shaped. Such dryers can be used to
process a variety of difficult-to-treat materials, e.g.,
slurries and materials containing solidified portions,
as well as those having a high degree of cohesion or
adhesion and/or containing lumps.
The spouted beds (SBs) can also be used to dry
polymer beads. It is an efficient solid–gas contactor.
In the conventional SB there is dilute-phase pneu-
matic transport of particles entrained by the spouting
jet in the central core region and dense-phase down-
ward motion of the particles along the annular region
(a) Solidaire
(b) Continuator
(c) Torusdisc
(d) Thermascrew
FIGURE 41.4
Some recent proprietary polymer dryers. (From Bepex Corporation,
CEP
, 79(4):5 (1983). With permission.)
2c
17
IIc
XI
X
X
XI
FIGURE 41.5
Yamato band fluidized bed dryer.
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

---

bounded by the cylindrical wall. Thus, the particle–
gas contact is cocurrent in the core (or spout) and
countercurrent in the downcomer or annulus. This
characteristic recirculatory motion of the particles
enables one to control the residence time of particles
within wide limits by letting the particles go through a
desired number of cycles prior to their withdrawal.
With both batch and continuous operations possible
along with the various modifications available, these
beds have a strong potential as postdryers in polymer
drying [12].
41.4 TYPICAL DRYING SYSTEMS
FOR SELECTED POLYMERS
This section discusses briefly the drying of selected
large-scale polymers. It is important to note the data
in Table 41.1, which gives permissible moisture levels
in various commodity resins [13].
41.4.1 D
RYING OF
P
OLYOLEFINS
41.4.1.1 Polypropylene
PP is produced by a variety of processes, most of them
by a diluent phase propylene polymerization utilizing
a Ziegler–Natta-activated titanium trichloride catalyst
in the presence of low- to high-boiling hydrocarbons.
Residual catalyst removal followed by hydrocarbon
slurry centrifugation is the immediate upstream oper-
ation prior to thermal drying. Hexane is the solvent
used in the major PP processes in operation today. As
a result these polymers are solvent wet.
Many plants operate with two resin varieties,
e.g., homopolymers and copolymers. Each requires
a different drying approach owing to different centri-
fuge cake-handling characteristics. Homopolymer
cakes, although somewhat tacky, are much less than
high-ethylene-content copolymer cakes, which tend to
agglomerate, form lumps, adhere to surfaces, and so
on. Considering capital cost, it is desirable to have a
single dryer line for both resins. Consequently, initial
dryer selection becomes a critical issue because of the
feed flexibility required [14].
Both polymer centrifuge cakes are discharged hot
(50 to 60
8
C), with diluent contents as high as 35 (wb)
or 53.2% (db). Between 35 (wb) and 5% (wb), most
homopolymers and copolymers exhibit constant-rate
drying characteristics; i.e., all moisture evaporation is
from the particle surface. Drying is rapid, and resi-
dence time is heat transfer-dependent. Since the prod-
uct temperature limit for these polymers is 100 to
110
8
C, the solvent boiling point has a definite effect
on dryer selection. Historically, again, rotary dryers
are used. During the 1960s and early 1970s, a two-
stage system of paddle-type dryers was used success-
fully. This consisted of a first stage or surface solvent
dryer, with the characteristics of very high agitation,
high heat transfer, and short residence time. The sec-
ond stage, or bound moisture dryer, consisted of a
device with low agitation, low heat transfer, and long
resistance. Each dryer is provided with a recycle purge
gas system to aid in controlling dew points and in-
crease dryer efficiency. The gas flow is minimized; the
amount used is that required to give a partial pressure
necessary to achieve required product moistures.
With the emergence of very high capacity PP
polymer lines and high-boiling point solvents, various
types of dryers and drying systems have evolved. One
reason for the advent of the new technologies in PP
TABLE 41.1
Percentage by Weight of Permissible Moisture (db) in Some Selected Polymer Resins
Material
Permissible Moisture
Drying Temperature (
8
C)
Injection (%)
Extrusion (%)
ABS resin
0.10–0.20
0.03–0.05
77–88
Acrylic
0.02–0.10
0.02–0.04
71–82
Cellulosics
Max. 40
Max. 30
66–88
Ethyl cellulose
0.10
0.04
77–88
Nylon
0.04–0.08
0.02–0.06
71
Polycarbonate
Max. 0.02
0.02
121
Polyethylene
—
—
—
Low density
0.05–0.10
0.03–0.05
71–79
High density
0.05–0.10
0.03–0.05
71–104
Polypropylene
0.05
0.03–0.10
71–93
Polystyrene
0.10
0.04
71–82
Vinyl
0.08
0.08
60–88
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

---

drying is the economic recovery of the flammable
hydrocarbon solvents. Another reason is that PP
has to be dried to a very low volatiles level and
the final drying requires the drying gas to have an
extremely low dew point. Usually nitrogen gas is
used as a drying gas in a closed-cycle drying system.
Figure 41.6 shows this by low and high gas dew point
product moisture points indicating relative drying
times. Reduction in recycle gas dew point is required
to remove evaporated solvent first and, especially in
mass transfer limited drying, reduce solvent partial
pressure to increase the overall drying rate.
Accordingly, the low dew point case normally uses
20
8
C hexane dew point recycle nitrogen gas yielding
the lowest residence time but at a higher energy ex-
pense than the higher dew point case. Since this is an
expensive part of the flow sheet, refrigeration costs
become a factor and recycled gas should be minim-
ized. It is in this region that residence times vary from
30 min to over 1 h, depending on recycle gas dew
point and polymer-drying characteristics; conse-
quently, a controlled residence time dryer is desired.
It is also desirable that this postdryer has an inde-
pendent recycling loop to minimize energy consump-
tion and maximize process control.
Based on these fundamentals, a two-stage flash or
fluid-bed drying system has been developed for PP
drying. The flash dryer disperses the feed cake in a
venturi throat, with hot recycled gas breaking the
cake and drying it to about 5% (wb) level. Final
drying is carried out in the fluid bed in a nitrogen
atmosphere. The solvent is recovered by a scrubber–
condenser system. The PP, after being dried in the
fluid bed, contains an extremely low level of solvent
(e.g., hexane or heptane), typically 500 ppm.
A very recent development in terms of heat econ-
omy and corrosion control is the use of a spiral DRT
dryer (Drallrohr Trocking) as a predryer in place of
the flash predryer [9] in flash–plug-flow FBD systems.
The gas/solid ratio is approximately 0.2 in these types
of dryers, compared with 1.0 in the flash dryers.
Another important advantage of DRT dryer as a
predryer in PP drying is its suitability in a corrosive
environment. A persistent problem often seen in PP
and high-density polyethylene (HDPE) manufactur-
ing plants is the deterioration of the equipment due to
free chlorides. The chlorides result from the deactiva-
tion of the activated catalysts with alcohol. Stress
corrosion cracking is the most common corrosion
phenomenon that results from the catalyst’s chloride
Post fluid-bed dryer, plug flow with gas 
Dew point control
DRT/backmix
FB
Minimum fluidization
homopolymer
Minimum fluidization
copolymer
Product diluent
Low dew point
drying gas
High dew point
drying gas
Drying rate is heat transfer controlled
Drying rate is mass transfer controlled
Time
Break point:
constant rate/falling rate
Flash
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.02
0.0005
(0.532)
Dry basis
Fraction hexane. wet basis
FIGURE 41.6
Typical polymer-drying curve of polypropylene.
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

---

remnants. The corrosion rate becomes remarkable
when the product contains a very small amount of
water. To prevent such corrosion, a neutralization
liquid is condensed. Also, part of the equipment is
sometimes coated with an acid-proof resin. Despite
the best neutralization techniques, chlorides are al-
ways present and cause significant equipment deteri-
oration unless precautionary measures are taken prior
to the drying system design. Therefore, it is essential
that the constant-rate drying period be run in an
atmosphere that precludes potential hexane vapor
condensation. DRT has advantages in such a corro-
sive environment since it operates with low gross heat
input and product inventory [15].
41.4.1.2 High-Density Polyethylene
HDPE is usually presented to the drying system from
a decanter centrifuge, either water wet or wet with
solvent (e.g., hexane or heptane). The product tem-
perature limit for this polymer is in the range of 100
8
to 110
8
C. This influences dryer selection. Similar to
PP drying, HDPE drying technology progressed
along the same route because of similarity in the
upstream physical operations prior to drying, as well
as similar physical characteristics. Similar to PP, dry-
ing of HDPE is best done in a multistage system,
especially on FD/CFBD centrifugal FBD system
(Figure 41.7).
41.4.2 D
RYING OF
P
OLYVINYL
C
HLORIDE
41.4.2.1 Emulsion Polyvinyl Chloride
Historically, spray dryers were used because of their
ability to produce a constant quality product
under full operational control. Normally, emulsion
PVC (E-PVC) is water wet in a slurry and dried to a
powder in one single-pass operation with high cap-
acities. The slurry is atomized using a rotary wheel or
nozzle. Evaporation takes place under constant and
falling rate conditions. Rapid evaporation maintains
a low temperature of the spray droplets so that high
dry gas temperature can be applied without affecting
polymer quality. Conical spray-dryer chambers are
commonly employed.
An improvement over the conventional open-
cycle adiabatic spray dyers for E-PVC is the recycle
exhaust spray dryer. In this type, up to 50% of the
exhaust stream is recycled to preheat the supply air
makeup from the atmosphere.
An improvement with respect to thermal effi-
ciency is the two-stage dryer. This involves operating
a spray dryer with a fluid-bed afterdryer. By adopting
a two-stage layout with a fluid bed, powder is taken
out of the spray dryer at a lower outlet temperature
with higher moisture content. The cooler but higher
moisture content powder is transferred to the fluid-
ized bed, where the drying is completed to the desired
Feed inlet
Continuator
Heater
Product discharge
Heater
Solvent
cooling system
Fan
Fan
Solvent
cooling system
Wet condenser
Solidaire
Wet condenser
FIGURE 41.7
Drying system for polypropylene and polyethylene.
ß
2006 by Taylor & Francis Group, LLC.

---

extent by controlling the residence time. The overall
heat consumption of the two-stage process is reported
to be about 20% lower than the corresponding single-
stage dryer.
A recent improvement over the above-mentioned
two-stage drying system for drying E-PVC is a spray
dryer with an integrated fluid bed. The basic concept
in this type of dryer is to avoid contact of the wet
powder with any metal surface in the primary drying
stage by transferring wet powder directly into a fluid-
ized powder layer (second drying stage). To achieve
this requirement, the fluid bed is integrated at the base
of the spray-drying chamber.
Another improvement in the design of dryers
for drying E-PVC and polyethylene is a dispersion
dryer that operates on what is known as the jet-drying
principle
and
is
offered
by
Fluid
Engineer-
ing International (London) under the name Jet-O-
Dryers. It is a pneumatic dryer of toroidal design
developed from jet-milling principles. It has no moving