Pécs Miklós: Fermentációs feldolgozási m ű veletek Porlasztva szárítás
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 1
Dr. Pécs Miklós
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék
PORLASZTVA SZÁRÍTÁS
2
PORLASZTVA SZÁRÍTÁS
A szárítás művelete során ál- talában szilárd anyagból pá- rologtatják el az oldószert. A porlasztva szárításnál a folya- dékcseppek felületén megy végbe a párolgás. Az anyag sokáig folyadék, csak a vé- gén - amikor bepárlódik – ala- kul szilárd porrá.
-Porlasztás -Elpárologtatás
-Porleválasztás (ciklon,szűrő)
3
A CSEPPEK PÁROLGÁSA
két szakaszra osztható:
Amíg folyadékfilm borítja a felületet, addig állandó a pá- rolgási sebesség, a tömeg csökken, a fajsúly növekszik.
Amikor a felület „megszárad”, már csak a kapilláris víz tá- vozik – lassabban párolog, a tömeg alig csökken, a térfo- gat viszont állandó marad, ettől a fajsúly csökken.
Csepp párolgása
0 1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
víztartalom
száradási sebesség fajsúly tömeg
4
CSEPPEK PÁROLGÁSA
A cseppek gyakran kérgesen száradnak, belül üres héjat alkotnak:
Hígabb Telített oldatból
5
ÁRAMLÁS SZERINT
lehet: egyenáramú kevert áramú
6
PORLASZTÓFEJEK
kialakítása szerint lehet:
– fúvókás
» mechanikus
» pneumatikus – forgótárcsás
» tárcsás
» fúvókás
» lapátos
A porlasztás során különbözőméretű cseppek keletkez- nek. Ezek közül a legnagyobbak ülepednek a leggyorsab- ban és párolognak el utoljára, ezért méretezésnél a dmax-ot keressük, és erre számolunk.
Pécs Miklós: Fermentációs feldolgozási m ű veletek Porlasztva szárítás
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 2
7
MECHANIKUS FÚVÓKÁK
= egyfázisú betáplálás (csak folya- dék, segédlevegőnélkül). A fúvó- kában a folyadékot cirkulációs áramlásra kényszerítjük. A forgás- ban lévő folyadék a nyílásból ki- lépve összefüggő folyadékhártya- kúpot alkot. A folyadék réteg egyre vékonyodik és végül cseppekre szakad.
8
MECHANIKUS FÚVÓKÁK
Bär egyenlet ahol:
d - a csepp átmérője K – anyagi állandó σ – felületi feszültség ρ – a folyadék sűrűsége f
max 2
f 0
d 8K
v
= σ ρ
A porlasztás során különböző méretű cseppek keletkez- nek. Ezek közül a legnagyobbak ülepednek a leggyorsab- ban és párolognak el utoljára, ezért méretezésnél a dmax-ot keressük, és erre számolunk.
9
PNEUMATIKUS FÚVÓKÁK
Kétfázisú, a betáplált folyadékot a fúvó- kában levegő áram segítségével por- lasztják. Kisebb nyomással dolgoznak és finomabb permetet adnak, mint a me- chanikus fúvókák.
Tapadós, viszkózus, anyagok, szusz- penziók szárítására is alkalmasak.
10
PNEUMATIKUS FÚVÓKÁK
A maximális cseppméretet leíró egyenlet az alábbiak szerint alakul:
ahol D – a fúvóka átmérője k és a konstansok
a 0,45
2 2
max f f lev
f f
d v D
D k D
µ ρ ρ −
=
σ σ
11
FORGÓTÁRCSÁS PORLASZTÓK
A folyadék adagolása a sík tárcsa közepére történik, ahonnan a centrifugális erő hatására lefut, vékony filmet képezve.
A folyadékmennyiség növe- lése esetén (állandó fordu- latszám mellett) a tárcsaát- mérőt is növelni kell, ellen- kezőesetben a képződött cseppek mérete változni fog.
0,46 0,46 0,08 f
max 0,54
k f
d k
v δ σ η
= ρ
12
PORLASZTÓK MÉRETEZÉSE
Dimenzió analízissel levezetve a különbözőtípusú por- lasztófejek működési egyenletei egyformává válnak:
D – jellemző méret (fúvóka átmérő, filmvastagság, rés nyílása)
0,08 0,46
max
kap
d k Re We
D
− −
=
f f
Re=vDρ µ
2 lev kapilláris
f
We =ρ v D σ
Pécs Miklós: Fermentációs feldolgozási m ű veletek Porlasztva szárítás
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 3
13
PORLASZTÓK MÉRETEZÉSE
A méretezés alapja, hogy a legnagyobb méretűcsepp is elpárologjon, mire kilép a készülékből.
A csepp útját két szakaszra kell bontani:
– A „fékút”, amíg a fejből kilépő, leszakadó csepp le- lassul és felveszi az állandó ülepedési sebességet.
– Az ülepedési szakasz, ahol a csepp állandó (relatív) sebességgel ülepedik.
Mint minden szárításnál, itt is egyidejűhő- és anyagát- adással kell számolni.
14
PORLASZTÓK MÉRETEZÉSE
A második, ülepedési szakasz leírása az egyszerűbb, minden lamináris:
Nu = 2 + 0,6 Re0,5Pr1/3 Sh = 2 + 0,6 Re0,5Pr1/3
abből a Nu = Sh = 2 a tiszta diffúzió, az additív tag pe- dig a konvekciós transzport.
Kis cseppekre (d < 80µm) az ülepedési sebesség el- hanyagolható, az additív tag eltűnik. Ez vizes oldatoknál mindig érvényes – vagy már a porlasztásnál, vagy a pá- rolgás miatti méretcsökkenés következtében.
15
PORLASZTÓK MÉRETEZÉSE
A fékút leírása bonyolultabb, mert:
a csepp körül az áramlás nem lamináris a csepp még nem gömb alakú, lüktet, hullámzik a csepp belsejében is van áramlás, hőtranszport a párolgás megvastagítja a felületi határréteget
Nu = 3,32 Re0,5Pr1/3Fr-0,077∆H/cp∆T
Ebben a szakaszban a párolgás sokkal intenzívebb, mint az ülepedésnél. Sokszor a víz 90 %-a itt megy el.
erre kell figyelni, erre kell méretezni ezért jobb az egyenáram
16
PORLASZTÓK MÉRETEZÉSE
A szárítókamra sugarát tehát akkorára kell venni, hogy a fékút (egyenesen, vagy ferdén) beleférjen.
a tárcsás porlasztóhoz tömzsi test kell, a fúvókás- hoz magasabb, karcsú.
A fékút hossza a csepp- átmérőfüggvényében kö- zel másodfokú:
17
SZEMCSEMÉRET
Aporlasztva szárításnál kulcsparaméter a termék szem- csemérete. Ez egyenesen arányos a cseppek méretével.
A méreteloszlás a porlasztófej típusától és a belépési sebességtől függetlenül:
18
SZEMCSEMÉRET
A szemcseméret egyenesen arányos a cseppek méreté- vel nézzük az ezt befolyásoló tényezőket:
A betáplált oldat
– felületi feszültsége – viszkozitása – koncentrációja Első közelítés: újra a Bär egyenlet:
A mérések szerint a viszkozitásnak nincs hatása→egye- zik az egyenlettel.
f 2 f 0
d 8K v
= σ
ρ
Pécs Miklós: Fermentációs feldolgozási m ű veletek Porlasztva szárítás
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 4
19
A FELÜLETI FESZÜLTSÉG
értékét detergensek hoz- záadásával szabályoz- hatjuk.
A mérési adatok igazol- ják, hogy a kapcsolat tényleg lineáris.
20
A CSEPPEK MÉRETE
Az oldat koncentrációja direktben nem befolyásolja a cseppek méretét. Viszont növeli a folyadék sűrűségét, ezáltal csökkenti a csepp méretét. A több oldott anyag miatt ugyanakkora
cseppekből nagyobb szemcsék lesznek.
Kicsit megváltoztat- ja a felületi feszült- séget is → mono- ton növekvő, de nem lineáris kapcsolat.
21
A CSEPPEK MÉRETE
f 2 f 0
d 8K v
= σ ρ
függhet még a belépési sebességtől is (Bär egyenlet):
Ez pedig a porlasztó tárcsa kerületi sebességétől függ:
1/v2 - d
0 50 100 150 200 250 300
0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006
csepp mérete
22
A SZÁRÍTÓ TERHELHETŐSÉGE
A szárító terhelhetőségét az kg elpárologtatott víz/óra mértékegységben adják meg.
W (Hlevegőbe– Hlevegőki) = wvízHpárolgási
A bevitt hőmennyisége a levegőtérfogatáramától (fix, beépített érték) és a belépőhőmérséklettől (szabályoz- ható) függ. Ezt az anyag hőérzékenysége szabja meg.
Az anyag hőmérséklete a párolgás miatt nem azonos a belépőhőmérséklettel, hanem 100 fok alatt marad (ld. a nedves hőmérőhőmérséklete).
23
A SZÁRÍTÓ TERHELHETŐSÉGE
A kilépőlevegőhőmérséklete terheléstől függ – minél nagyobb mennyiségű vizet kell elpárologtatni, annál alacsonyabb lesz.
Határérték: az anyag „elegendő mértékben” száradjon meg – ne maradjon benne a kívántnál több víz, és ne tapadjon a készülék és a ciklon falához.
tapasztati úton, kísérletekkel lehet meghatározni
24
PORLASZTVA SZÁRÍTÁS
Előnyei:
az apró cseppek miatt nagy a fajlagos felület emiatt gyors a párolgás
emiatt rövid a kontaktidő
az anyag csak a nedves hőmérő hőmérsékletéig melegszik
kíméli a hőérzékeny anyagokat
