12. Szárítási műveletek és berendezések

Szárítás 12. Szárítási műveletek és berendezések A szárítás általános értelemben az anyagok nedvesség tartalmának eltávolítása. Szilárd anyagok esetén a nedvesség eltávolítása párologtatáson alapszik, gázoknál, amikor a nedvesség eleve pára alakjában van (gondoljunk csak a nedves levegőre vagy nedves gázokra), a szárítást higroszkopikus közegek (szilárd vagy folyadék) segítségével végezzük. A folyadékok esetén a víz eltávolítását nevezzük sokszor helytelenül szárításnak, amikor is ugyancsak higroszkopikus szilárd vagy folyadékkal dolgozunk. De miért is van szükség az anyagok szárítására? A szilárd anyagok nedvességének eltávolítása többek között azért szükséges, mert a mechanikai folyamatok után visszamaradt nedvesség akadályozza úgy a csomagolást, mint a tartósítást. A gázok esetén a szárítást a különböző gázfelhasználási folyamatok teszik szükségessé (gondoljunk itt a nedves levegő, vagy a nedves klórgáz korróziójára, vagy például a cseppfolyósítási folyamatkor fennálló jégkiválásra stb.). Mivel a gázok szárítása általában abszorpciós vagy adszorpciós műveletekkel történik, a továbbiakban a nedves szilárd anyagok szárításával foglakozunk. A legtöbbet előforduló nedvesség a víz, vagy valamilyen vizes oldat lévén, a továbbiakban a szárítást a víztartalmú szilárd anyagok nedvesség eltávolítására korlátozzuk. E leszűkítés, azonban, nem zárja ki sok más eset másfajta nedvességének (például szerves szolvens) eltávolítását sem. 12.1. Száraz anyag/nedves anyag De lássuk csak, hogy hogyan is kötődik a víz a szilárd anyaghoz. Általában a víz, mint nedvesség lehet több féle: - felületi; - kapilláris; - ozmotikus; - kristályvíz. Felületi vagy tapadó a nedvességről beszélünk, úgy a kompakt, mint a porózus szilárd anyag külső felületén fizikailag megkötött cseppfolyós víz esetében. Ez a nedvesség legkönnyebben eltávolítható, úgy magas hőmérsékletű párologtatással, mint vákuum alkalmazásával. Mindkét esetben a hajtóerő a - 310 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban vízgőznyomás (egyensúlyi nyomás) és nedves anyagot körülvevő közegben fellépő vízgőzök parciális nyomásának a különbsége ( e p p H p ). - 311-2 O H2O Kapilláris nedvességről beszélünk úgy a nedves szemcsehalmazok esetén, mint a nedves porózus szilárd anyagoknál. Ezt még belső nedvességnek is nevezzük. Szárításkor, ezt, a pórusokban található folyadékot, a kapilláris erők hozzák a felületre. Ozmotikus vagy duzzasztó nedvességről beszélünk az olyan szilárd anyagoknál, amelyek esetében a nedvesség nem csak a felületet és a szabadteret (pórusokat) tölti ki, hanem teljesen átjárja az anyagot, kolloid módra kötődve hozzá. Ilyen anyagoknál a nedvesség eltávolítása zsugorodást idéz elő, épp úgy, mint amikor egy gélből eltávolítjuk a nedvességet. Ilyen nedvességgel találkozunk a különböző gabonafélék, a gyümölcsök, a fa és a fű nemű anyagoknál és természetesen a gélek is ilyenek, habár az előbbiektől eltérően itt membránról nem beszélhetünk. A kristályvíz, mint ismeretes, a legerősebben kötött nedvesség. Ez, a többiektől eltérően, kémiailag kötött. A kristály minőségétől függően a nedvesség eltávolítása a bomlási hőmérsékleten vagy, stabil kristályok esetén, az oldat elpárologtatása révén lehetséges. Nagyon sok szilárd anyag képes kis nedvességtartalmú levegő jelenlétében is vizet felvenni, és valamilyen formában megkötni. Ezek az anyagok sokszor még oldat alakjában is vizet kötnek meg a levegőből. Az ilyen szilárd anyagokat nevezzük higroszkopikus anyagoknak. A 12.1. ábrán látható a két különböző viselkedésű szilárd anyag. Míg az a- görbe szerinti anyag higroszkopikus viselkedésű, addig a b görbe szerinti, nem higroszkopikus viselkedésű. 12.1. ábra. Az anyagok nedvesség felvevésének módozatai: a- higroszkopikus anyag, b- nem higroszkopikus anyag. Ugyancsak látható az ábrán, hogy az I tartományban a nedvesség adszorpcióval kötődik, míg a II tartományban, kapilláris kondenzáció lép fel. Ha jól megfigyeljük a különböző nedves anyagokat, akkor ezek lehetnek:

Szárítás - sima felületű, kompakt nedves anyagok (nedves fém, nedves üveg, nedves porcelán, márvány, bazalt, stb.), - porózus lyukacsos testek, melyeknek szilárd része stabil összefüggő üreges vázat alkot, melynek kapillárisai képesek víz megkötésére, amilyen a cserép, a tégla, csempe, a fajansz, a szén, a fa, stb. - összefüggetlen szilárd nedves szemcsehalmaz, - kolloid gélek és kolloid géleket vázszerűen tartalmazó anyagok, mint az agyag, a tészta, stb. - sejtszövetekből álló testek, ahol a nedvesség, mint sejt lé tölti ki a testet. Ilyen testek esetében a membrán jelenség jelen van. Ilyenek az növényi és állati szervek részei (fa, gyümölcs, bőr, stb.) Az anyag nedvességének jellemzésére különböző mutatókat alkalmazunk éspedig: - a száraz anyag tömegére vonatkoztatott nedvesség, tömegarányban vagy százalékban kifejezve mviz W* m kg nedvesség / kg száraz anyag (12.1) száraz - a nedves anyag tömegére vonatkoztatott nedvesség, tömegarányban vagy százalékba kifejezve kg nedvesség / kg nedves anyag : mviz mviz W * mviz 100W * w*, 100w* 100 (12.2) m m m 1W * m 1W * nedves szaraz viz - 312 - nedves Gyakorlatban a nedves anyagra vonatkoztatott nedvesség a legkifejezőbb, hisz értéke 0-1 között mozoghat, sőt még százalékban is ki lehet fejezni (értéke ilyenkor 0-100 közötti). 12.2. A szárítás hajtóereje. Szárítási módszerek. A nedvesség eltávolítása feltételezi, hogy a folyamat hajtóereje, vagyis az egyensúlyi gőznyomás és a nedves anyagot körülvevő 12.2. ábra. A szárításkor fellépő Nernst réteg és a térben lévő nedvesség parciális nyomása hajtóerő. közötti különbség pozitív legyen. A 12.2. ábrán is látható, a nedves anyagot körülvevő Nernst rétegben a nedvesség parciális

nyomása pedig: p 2 H O Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban és a felületi egyensúlyi nyomás értéke p e ph O ph O p *( t f ) p 2 2 H 2 O - 313 - p 2 e H O. A szárítás hajtóereje (12.3) Amíg a felületi gőznyomás a felületi hőmérséklettől függ, addig a nedves anyagot körülvevő közeg parciális nyomása annak telítettségétől van meghatározva. Ahhoz, hogy ezt a hajtóerőt pozitívan tartsuk két megoldás áll a rendelkezésre, növeljük a felületi hőmérsékletet, s ezzel egyúttal a gőznyomást, vagy csökkentsük a közeg nedvességtartamát, vagyis parciális nyomásását. A módszer kiválasztása szárítandó anyag minőségétől és a szárító közeg tulajdonságától függ. Mivel a gőznyomás hőmérsékletfüggő, annak megváltoztatása a hő közlés függvénye. Tehát, attól függően, hogy milyen hő közvetítési módszert alkalmazunk radiációs, konvekciós, konduktív vagy kombinált meg tudjuk változtatni a hajtóerő egyik tagját. Például: a radiációs vagy a konduktív hőátadáskor a nedves anyag felülete melegebb lehet, mint az őt körülvevő, nedvességet elszállító, közeggé. Amikor a hőközvetítés konvekciós, akkor az elpárologtatáshoz szükséges energiát a nedves test ugyanabból a közegből kapja, mint amely átveszi az elpárologtatott gőzt. Ilyenkor a hőközvetítő közeg hőmérséklete nagyobb, mint a felület hőmérséklete. Természetesen, hogy a hajtóerő második tagjának csökkentése is pozitívvá teheti azt. Ilyenkor a nedvességet képező komponens parciális nyomását úgy tudjuk csökkenteni, hogy a teljes nyomást csökkentjük, azaz vákuumon dolgozunk, vagy csökkentjük a nedvességfelvevő közeg hőmérsékletét, ezzel egyúttal annak nedvesség tartalmát (hideg, kis parciális nyomással rendelkező közeggel dolgozunk, azaz hűtött szárítást végzünk). Ha mindkét nedvességet képező komponens parciális nyomást csökkentő módszert egyszerre alkalmazzuk, akkor nagyobb hajtóerőt tudunk megvalósítani, tehát a szárítás intenzívebb. Ugyanazt az eredményt érjük el, ha egyszerre növeljük a hőmérsékletet és csökkentjük a hőközvetítő közegben fellépő nedvesség parciális nyomását. Összefoglalva, a következő szárítási módszerekkel dolgozhatunk: - konvekciós szárítás, a szárítandó anyag közvetlenül érintkezik a szárító közeggel. A közeg lehet melegebb (ezt alkalmazzák a legtöbb esetben), azonos hőmérsékletű vagy hidegebb, mint a szárítandó anyag. A lényeg az, hogy a nedvességfelvevő közeg parciális nedvesség nyomása legyen kisebb, mint a szárítandó anyag nedvességének gőznyomása, - kontaktszárítás, amikor a hő-közvetítés egy válaszfalon keresztül konduktívén történik,

Szárítás - hősugárzásra alapuló /radiációs szárítás, amikor a hő-közvetítés infravörös sugarak segítségével megy végbe, - dielektrikus szárítás, amikor a melegítés nagyfrekvenciájú elektromos áram erőterében megy végbe, - szublimációs szárítás, amikor a nedvesség alacsony nyomáson- vákuumonszilárd állapotból lép át gőzállapotba. Ezt a fajta kriogenikus-vákuumos szárítást nevezzük liofilezésnek Mivel a legtöbb esetben a nedvesség víz és a szárutó közeg a különböző minőségű levegő, a továbbiakban nedvesség alatt víztartalmat értünk. Természetesen, hogy a vízzel kapcsolatos információk bármikor átszármaztathatók más nedvességre is, úgyszintén a levegő jellemzése érvényes lehet más szárítóközegek jellemzésére is. 12.3. A levegő, mint szárítóközeg A környezeti levegő bármely hőmérsékleten és nyomáson tartalmaz bizonyos mennyiségű vizet. A levegő paramétereitől függően különböző halmazállapotban lehet a levegőben a víz, éspedig gáz alakban, pára alakjában, kis cseppek vagy kristályok alakjában. Ahhoz hogy a levegőt bármilyen minőségű lévén, jellemezni tudjuk bizonyos mutatókat alkalmazunk. Ezek a következők: - fajlagos abszolút nedvesség tartalom, x, ami nem más, mint egységnyi száraz levegőben lévő víztartalom mvíz x,kg/kg vagy g/kg (12.4) m száraz levegő - relatív nedvességtartalom, ami nem más, mint a nedves levegőben lévő víz parciális nyomásának ( ( p 2 k H O ) aránya: H 2O k H 2O - 314 - p 2 H O ) és a telítettségi gőznyomás p (12.5) p E mutató megadja a levegő telitettségének mértékét, vagyis mennyire közelíti meg a nedves levegő azt az állapotot, mikor a vízpára alakban van, vagyis a kondenzáció előtti állapotot. A kétféle nedvességtartalom közti összefüggés a következőképpen vezethetjük le. Legyen V térfogatú és p teljes nyomású nedves levegőnk, melynek abszolút vízgőztartalma x. Mivel a nyomás kicsi, felírható az ideális gázokra jellemző Dalton törvény:

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban mszl RT mviz RT p pszl ph O, ahol p p 2 szl, H 2O (12.6) M V M V L Ha x a víztartalom, akkor a száraz levegő tömege 1, tehát felírható: 1 RT x RT 1 RT x RT p szl, ph O V (12.7) 2 V M V M p M p innen: L H 2O M L H 2O L szl H 2O H 2O szl L k H 2 O k p H 2 O k H 2 O k p H 2 O k H 2 O k p H 2 O M H O ph O M H O p p p x 2 2 2 0, M p M p p 622 (12.8) p p x vagy: (12.9) 0,622 x p k H 2O Mint látható a (12.8) és (12.9) összefüggések a nedves levegő állapotát írják le a nedvességtartalom (x), teljes nyomás (p), hőmérséklet ( p 2 k H O ) és a relatív nedvesség ( ) függvényében. Ha az állandó x értékű levegő hőmérsékletét megváltoztatjuk (változik a p 2 k H O ), akkor a (12.9) összefüggésből következik, hogy változik a relatív nedvesség is. Ha állandó x mellett a nyomást csökkentjük, akkor természetesen, hogy a relatív nedvességtartalom is változik. Ellenben, ha p k H O 2 p, ami magas hőmérsékletekre jellemző, akkor p, ami arra p k H O vezet, hogy nagy hőmérsékleten a relatív nedvesség értéke csak az abszolút nedvességtől függ: k ph x 0,622 p p p 0,622 0,622 p p 1 2O k H2O 2 x 0,622 x (12.10) A levegő abszolút nedvességének függvényében ki lehet fejezni ennek sűrűségét is, éspedig: ml mszl (1 x) mszl 1 x 1 x L V Vszl Vviz V V szl viz mviz mlev 1 1 VM / VM Vszl Mviz Mlev 1 x 1 x 1 x 3 L L L,kg/m nedves levegő M lev mviz 28,9 x 1 1 11,608x M m 18 1 viz lev - 315 - (12.11)

Szárítás - a harmatpont azt a nedvességtartalmat jellemzi, amikor a levegőben megjelenik a cseppfolyós állapotú víz. Ha állandó nedvességtartalmú levegőt, állandó nyomáson t 1 hőmérsékletről lehűtünk, akkor egyszer elérjük azt a t 2 állapotot, amikor a levegőben lévő víz parciális nyomás eléri a vízgőz tenzió értékét. Ilyenkor a levegőben lévő gőz csepp alakjában kezd kiválni. Ezt a pontot harmatpontnak nevezzük. A harmatpont adott nyomáson az x abszolút nedvességtartalom függvénye, nem függ a gáz-gőz kezdeti hőmérsékletétől. A harmatpont jellemző mutatója a harmatponti hőmérséklet (t h ). - a nedves levegő hőtartalma a benne levő száraz levegő és vízgőz hőtartalmának az összege. Jelöljük h a nedves levegő entalpiáját (kj/kg), h- az entalpia érzéklehető részé kj/kg száraz levegő és H a párolgáshőt, kj/kg víz. Így az x kg vizet és 1 kg par száraz levegőt tartalmazó, t hőmérsékletű nedves levegő entalpiája egyenlő: A száraz levegő entalpiája: hszl 1 cplev t (12.12) A víz entalpiája egyenlő a cseppfolyós víz entalpiájának ( x c pviz t entalpiájának ( x H par - 316 - g ), a párolgási ) és a túlhevítési entalpiának ( x c t pg t g ) az összegével, vagyis: h x c t x H ( t ) x c t t (12.13) göz pviz g pár g pg A gyakorlatban kielégítő pontosságot lehet elérni, ha t 0 párolgáshővel és a t 0 -tól számított túlhevítési hővel számolunk, vagyis: g h göz x H ( t ) x c t (12.14) pár g pg Így a nedves levegő entalpiája egyenlő a száraz levegő és a nedvesség entalpiájának összegével: h 1 c t x c t x H (12.15) plev pviz par Ha a száraz levegő fajhője 1006 J/kg K, a vízgőz fajhője 1864 J/kg K, a víz párolgáshője 2501 kj/kg, akkor felírható: h 11,006 t x 1,864 t x 2501 kj/kg nedves levegő (12.16) 1,006 t x 1,864 t 2501 Ha t=0 és x=0-val, akkor a száraz levegő entalpiája nulla. g g

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban 12.4. A Ramzin- Mollier diagram A nedves levegő állapotát Ramzin és tőle függetlenül Mollier szerkesztették meg. Ez a diagram legismertebb változata az entalpia (h)- abszolút nedvesség (x) koordináta rendszerbe van megszerkesztve. Mint a 12.3 ábrán is látható az entalpia kompozíció diagram ferdeszögű diagram, a függőleges tengelyen a nedves levegő hőtartalmát (entalpiáját), míg a vízszintes tengelyen a levegő fajlagos abszolút nedvességtartalmát ábrázoljuk. A diagramban tehát megtaláljuk: - a meredeken jobbra lefutó párhuzamos egyeneseket (entalpia egyenesek), - a vízszintes tengelyre merőleges konstans fajlagos abszolút nedvesség egyeneseket, 12.3. ábra. Az entalpia nedvesség diagram elvi felépítése és koordináta rendszere. - a (12.16) egyenlet tagjának (,006 1, 864xt 1 megfelelő t hőmérséklet szerinti egyeneseket, amelyek az előbbiektől eltérően nem párhuzamosak, - a Mollier diagram ugyanakkor tartalmazza a három mezőt, a gáz-gőz mezőt, a gáz-csapadék mezőt és a jégmezőt. A gáz-gőzmezőben pedig megtalálhatók a különböző relatív nedvességű görbék is (lásd a 12.4 ábrát). A gáz-gőzmezőre jellemző diagramot a 12.5 ábrán mutatunk be. Mint látható a lefelé irányuló entalpia tengely és a vízszintes fajlagos abszolút víztartalom mellet megtaláljuk a relatív nedvesség görbéket is. A gáz-gőz diagram alsó határgörbéje a telítettségi állapotot jelző görbe. E felett a gőzmezőben lévő levegő relatív nedvessége kisebb, mint 1. A határgörbe alatti területen a víz egy része cseppfolyós állapotban van, ezért ezt a mezőt folyadék-gázmezőnek is nevezzük. Mivel itt általában köd képződik ezt a mezőt ködmezőnek is nevezzük. A ködmező izoterma - 317 -

Szárítás vonalai, mint az 12.5 ábra is mutatja, a határgörbénél megtörnek. A ködmezőben entalpia értéket a következő összefüggéssel számoljuk: liq h 1c t x c t x H ( x x c t (12.17) plev szat pg szat par szat) ahol: xszat- a telítettségi nedvességtartalom, kg/kg, víz fajhője. - 318 - c liq pviz pviz =4217 J/kgK- a cseppfolyós Ha a hőmérséklet kisebb, mint nulla ( t 0 C ), akkor a hó- köd-mezőbe jutunk, ahol az entalpiát a következő összefüggéssel számítjuk: jég h c t x c t x H ( x x )( c t H ) (12.18) 1 plev szat pg szat par szat pviz fagy jég ahol a jég fajhője c 1926 J/kgK és hármasponti fagyáshője H fagy 12.4. ábra. A levegő Ramzin-Mollier digaramja [Fonyó-Fábry]. 333,4 kj/kg pviz A szárító berendezésekben végbemenő légállapotokat a Mollier diagram segítségével lehet ábrázolni. Ilyen változásokat mutat be a 12.6. ábra. Mind a négy esetben a kiinduló pont az A figuratív pont és a végpont lehet a B vagy a C. Az első eset az izoentalpikus, a második izoterm, a harmadik állandó fajlagos abszolút 0

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban 12.5. ábra A gáz-gőz mező Mollier egyszerűsített diagramja [Fonyó-Fábry]. nedvességtartalmú és a negyedik állandó relatív nedvesség tartalmú változást ír le. Az 1 figuratív pontú levegőt összekevertük a 2 figuratív pontú levegővel. Az emelő szabály segítségével meghatározott m keverési pont látható, hogy a gáz-gőz mezőben van. Ennek jellemzőit leolvashatjuk a diagramról, vagy kiszámíthatjuk az anyag és a hőmérleg segítségével is. Amikor a keverék pontja a 1határvonal alá kerül, akkor a kétfázisú rendszerbe, a ködmezőbe kerülünk. A 12.7. ábrán egy levegőkeverést, míg a 12.8. ábrán hűtést meg melegítést ábrázoltunk. Mint látjuk 12.7. ábra m keverékpontjának az entalpia és hőmérséklet értékeit leolvashatjuk közvetlen vagy interpoláció segítségével. A 12.8. ábrán látható melegítéskor az 1 pontból ( i ( ) ) melegítjük - 319-1, 1 h1 konstans x értéken eljutva a 2 pontba ( 2,i2 ). Mint látható nem csak a hőmérséklet és az entalpia változik, hanem a levegő relatív nedvessége is. Hűtéskor az 1 pontból kiindulva haladunk a 2 pontnak megfelelő hőmérsékletig. A 2 pontnak megfelelő hőmérséklet a harmatpont alatti. Így a hűtés következtében csapadék kiválás történik.

Szárítás 12.6. ábra. Légállapot változások [Fonyó-Fábry]. 12.7. ábra. Levegő keverés ábrázolása a Mollier diagramon [Fonyó-Fábry]. - 320 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Elméletileg a hűtés az 1 pontból egy lefelé tartó x=konst. egyenesen halad a harmatpontig, majd innen a határgörbén a 2 pont fele. A harmatponttól a 2 pontig a közegből kivált a x nedvesség. A valóságban a hűtést a szaggatott illetve a pontvonal görbék írják le jobban. A kiinduló pont és végpont ugyanaz, de az út az különbőzik. Mivel a kezdeti és a végpontok megfelelnek a hőmérséklet, nedvesség és entalpiaváltozás bármely úton haladnánk, ugyanaz marad. 12.8. ábra. Melegítés és hűtés ábrázolása a Mollier diagramon [Fonyó-Fábry]. 12.5. A száradási mechanizmus és sebesség A nedves anyagok, lehet az porózus vagy szemcsehalmaz, száradását a legjobban az anyagveszteség időbeli változásával tudjuk követni. Épp ezért képzeljünk el egy gyakorlati berendezést, melyben a mérleg tányérjára helyezett tartólapon nedves anyagot helyeztünk el egy megadott vastagságban. Ezt az anyagot egy melegített térbe (szárító) helyezzük, amelyben egy bizonyos nedvfelvevő közeg (levegő) áramlik. A betevés pillanatában megindítjuk a kronométert és követjük a mérleg LCD kiíróját. - 321 -

12.9. ábra. Az anyag tömegének és nedvességének időbeli változása. Szárítás Ábrázoljuk a nedves anyag tömegének és a nedvességének időbeni változását. Mint ahogy a 12.9. ábrán is látható, a kezdeti holt idő után (az idő mialatt a test felveszi a tér hőmérsékletét) amikor a nedves anyag tömege, illetve a nedvesség nagyon keveset változik, következik, egy un. külső diffúziós száradás, amikor az anyag felületén lévő nedvesség távozik a testről. Ez a nedvesség eredetileg ott van, vagy a kapillárisok szállítják a felületre. A folyadékszint egyre beljebb kerül, és egy idő teltével a vízmolekulákat nem kapilláris erők hozzák a felületre, hanem kialakul a belső gőzök diffúziója. A külső diffúziós tartományra jellemző, hogy a felületen elég nedvesség van (eredetileg vagy odaszállítva). 12.10. ábra. A szárítási sebesség változása az idő függvényében. A szárítandó anyag felületén állandó hőmérsékletnek megfelelő vízgőznyomás kialakulva, fel lehet írni a Nernst-rétegben végbemenő anyagátadást: dw Dviz k k ph O ph O g GpH O ph O 2 2, (12.19) 2 2 Ad G ahol: A- szárítandó anyag a külső térrel érintkező geometriai felülete, m 2. Mivel ebben a zónában a hajtóerő konstans, a sebesség értéke nem változik (lásd a 12.10. ábrát.). A külső-belső diffúziós zónában a sebesség értéke a nedvesség csökkenésével egyre csökken. Ebben a tartományban már nem beszélhetünk konstans hajtóerőről, így a folyamat már nem hasonlít a külső tartományban fellépő mechanizmushoz. Ebben az esetben, az anyag belsejében kialakult vízgőznek a belső diffúziós ellenállást kell legyőznie, mielőtt a felületi Nernst-rétegbe lépne. A - 322 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban vízgőz belső diffúziójának matematikai leírását a következő összefüggés teszi lehetővé: 2 w w K 1 w D H O, G (12.20) 2 2 r r r Amikor úgy a külső, mint a belső diffúzió sebessége megegyezik, akkor a folyamatot a (12.19)-es illetve a (12.20)-as összefüggésekre alapuló mérlegegyenlet írja le. Ha a belső diffúziós tartományra bevezetjük a részleges komponensátadási tényezőt ( ), akkor a szárítást, mint a két filmre felirt anyagátadással is w, W helyettesíthetjük, vagyis: d w G p A d ahol: g, G e H O w, W ( w p 2 ) 1 G (12.22), 1 m amelyben az m a H O 2 w, W 10 DH, d szemcse 2 1, (12.21) ahol a v az áramló közeg sebessége. Mivel a szárítási sebesség változik az idő függvényében, a szárítási idő meghatározása gyakorlati mérésekre alapszik. A legtöbb nedves anyag víztartalmának majdnem 90 %-át a szárítás első felében elveszíti. A második felében a többi 10 % eltávolítása történik. A gyakorlati szárítási görbe alakja függ a szárítási módszertől és a szárításhoz alkalmazott levegő minőségétől. Mint a 12.11. ábra is mutatja, a szárítási görbe w-idő függvénye egy bizonyos egyensúlyi érték felé tartó görbe. Az egyensúly elérése azonban hosszadalmas folyamat. A kezdeti rövid szakasz utáni állandó sebességű szárítást követi, mikor is az anyag felületén kialakulnak a száraz, vízmentes zónák. Ennek a pillanatnak megfelel, az un. kritikus nedvesség. Most már a szárítás nem egyenletesen, hanem folyamatosan - 323 - O G (12.23) w görbe w=0 és =0 pontban húzott tangense. d m (12.24) dw A (12.22)-es összefüggésben szereplő anyagátadási tényezők értékét, a gázfázisra viszonyítva kriteriális összefüggések segítségével határozzuk meg. Például az olyan esetben, amikor a levegő párhuzamosan halad az anyag sík felületével, akkor a értékét a következő összefüggés írja le: 0, 8 g. G 0, 0745 v (12.25)

Szárítás csökken, a száraz foltok egyre nagyobbak lesznek, és a D ponttól kezdődően már a belső diffúzió a mérvadó. Az E pontban az anyag nedvesség tartalma eléri a környezeti levegő vízgőz tartalmának megfelelő egyensúlyi értéket. A száradás gyakorlatilag itt leáll. Az első és a második szárítási szakasz átmeneténél minden görbén egy töréspont figyelhető meg. Itt változik meg a száradási mechanizmus. E törésponthoz tartozó nedvességet kritikus nedvességnek hívják. A töréspont ismerete gyakorlati fontossággal jár. Ezért ezt általában megszokták adni. Ilyen értékeket tartalmaz az 12.1. táblázat is. 12.11. ábra. A gyakorlati szárítási görbe alakja és jellegzetes pontjai. Ugyancsak meg szokták adni a különböző anyagok egyensúlyi nedvességét is. Ezt természetesen a levegő relatív nedvességének a függvényében. Ilyen adatokat tartalmaz a 12.2. táblázat. 12.1. táblázat. Keresztáramú szárítóban mért kritikus nedvesség értékek. Anyag Rétegvastagság, mm Kritikus nedvesség, % száraz anyagra kifejezve. Képlékeny tégla 50 19 Nyárfa 4,2 120 Papírpép 1 15 Zselatin 2,5-5 300 Kősó 25 7 Kromcserzésű bőr 1 125 Talpbőr 6,3 14-324 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban 12.2. táblázat. Néhány közismert anyag egyensúlyi nedvessége a levegő relatív nedvességének függvényében 298 K hőmérsékleten. Anyag Relatív nedvesség A a w b összefüggés állandói 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 a b Liszt 2,2 5 8,5 12,6 19 80 5,0 Fehér kenyér 1,0 3,1 6,5 11,4 18,9 17,7 2,0 Szappan 2,4 5,2 8,4 13,7 23,8-196,5 10,0 Enyv 3,4 6,0 7,8 9,9 12,4-15,2-0,4 Zselatin - 2,8 4,9 7,6 11,4 15,0 2,0 Fa 3,0 6,0 9,3 13,9 22,0 Papír 3,2 5,0 6,2 8,2 14,0 Agyag 1,7 3,0 4,0 6,0 10,0 12.6. Anyag és energiamérlegek A leginkább alkalmazott szárítási módszer az un. konvekciós szárítás, ahol gyakran a levegőt alkalmazzák hő-közvetítő és nedvesség felvevő közegnek. Épp ezért a továbbiakban e szárítási módozat anyag és energia mérlegét használjuk példaként. 12.6.1 Egyszeri szárítás anyag és hőmérlege Vezessük be a következő jelöléseket: G - a szárítandó anyag tömegárama, kg száraz anyag/s, L - a száraz levegő tömegárama, kg/s, w - a szárítandó anyag nedvesség tartalma, kg/kg száraz anyag, G w c p, c p - a száraz anyag illetve a nedvesség fajhője, J/(kg K), i anyag hőmérséklete, C, - 325 - t - a szárítandó hi - a különböző helyzetben lévő levegő entalpiája, J/kg, xi -a levegő abszolút nedvesség tartama, kg/kg száraz levegő. Figyelembe véve a 12.12. ábrán feltüntetett anyagáramokat írjuk fel az összes anyag, a nedvesség mérlegét: Összes anyag mérleg: Lx1 L G G w4 G G w5 L Lx (12.26) 3 Innen következik:

Szárítás - 326-3 5 4 1 Lx w G w G Lx (12.27) Ahonnan a leadott illetve a felvett nedvesség értéke:, 1 ) ( 1 3 1 3 5 4 x x W L x x L w w G W kg száraz levegő/kg vízgőz (12.28) Az l=l/w arányt, fajlagos levegő szükségletnek is nevezzük. 12.12. ábra. Konvekciós szárítás sémája. Most írjuk fel e hőmérleget a szárítóra és a kaloriferre: 3 5 5 5 4 4 4 1 h L t w c G t c G Q Q Q t w c G t c G h L w p G p V sz k w p G p (12.29) Rendezzük át az összefüggést, és osszuk el minden tagot a W eltávolított nedvesség mennyiséggel: W t w c t c w G t t c G Q W Q W Q h h W L t w c t c w G t t c G Q Q Q h h L w p W p G p V sz k w p W p G p V sz k ) ( ) ( 5 5 4 4 4 5 1 3 5 5 4 4 4 5 1 3 (12.30) Figyelembe véve a (12.28) összefüggést fel lehet írni: 0 1 3 1 3 q q q q x x h h sz k (12.31) A q a fajlagos hő szükségletet jelképezi, melynek mértékegysége kj/kg eltávolított vízgőz. A q 0 pedig a fajlagos kiegészítő hő szükséglet, mely elhanyagolható a q k, illetve a q sz mellett ha:

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban a) ha a szárító hő vesztesége nulla (Q V =0), b) ha a szárítóban az anyag nem melegszik fel (t 5 =t 4 ), c) ha vizgoz G( w c t w c t Gw c t GwH Gwc t W w 4 p 4 5 p 5) Ha csak a szárító egységre írjuk a mérleget, akkor a következő összefüggést kapjuk: G W G W 2 Q sz G c p t4 G w4 c p t4 Q V G c p t5 G w5c p t5 Lh3 L h (12.32) Innen átrendezve, felírható: G p L ( h3 h2 ) Q sz G c t4 G w4 c t4 Q V G c t5 G w5c G W W L Q Q V G c p ( t t ) G( w c p t w c p t ) sz 5 4 5 5 4 4 ( h3 h2 ) W W W h3 h2 Vagyis: qsz q0 x x h x h 3 1 W p 4 W p 4 G p par W p p t 5 4 (12.33) (12.34) Ha a szárító ideális (q 0 =0) és a szárítóval nem közlünk hőt (q sz =0) a (12.34)-es összefüggést felírhatjuk: 3 2 0 h3 h1 3 x1 (12.35) 12.13. ábra. Az ideális szárítás ábrázolása a h-x diagramon. 12.14. ábra. A valós szárítás ábrázolása a h-x diagramon Ez azt jelenti, hogy a szárítás alatt az inzoentalpiás vonalon haladunk (lásd a 12.13. ábrát). Ha a fajlagos kiegészítő hőszükséglet nem nulla (q 0 >0), és a szárítóba nem viszünk be hőt (q sz =0), akkor a (12.34)-es összefüggésből felírható: - 327 -

h x h 3 2 q0 h x 2 h3 q0 3 3 x1 ( x ) 1 Szárítás (12.36) Ilyenkor a 2. és a 3. pontot nem izoentalpia vonal köti össze, mint az előbbi esetben, hanem a 12.14. ábrának megfelelő úton haladunk. 12.6.2. Konvekciós szárítás recirkulációval Nagyon sok szárítandó anyag esetén a nedvesség eltávolítása zsugorodáshoz, sőt felületi repedésekhez is vezethet. Ilyenkor a szárítási sebességének szabályzása végett a levegő hőmérsékletét és víztartalmát recirkulálással állítják be. Figyelembe véve a 12.15. ábrán feltüntetett recirkulációra alapuló szárító elvi vázlatát írjuk fel a főbb mérlegeket: Lx Q q k 12.15. ábra. A recirkulációra alapuló szárítás sémája. LR x 4 L LR 2 (12.37) Lh 1 LRh 4 L LR h 2 L L h h Lh (12.39) W L 1 x Q W h x R 4 h x 3 2 4 h1 k 4 1 (12.41) 1 (12.38) x 4 x 1 (12.40) L 1 l (12.42) W x x A keverés folyamatát a 12.16. ábrán tüntettük fel. Az A, friss és C, fáradt levegőt keverve, megkapjuk az M keveréket. Ezt felmelegítve Az F pontig megkapjuk a kaloriferből kilépő levegő paramétereit. Ezzel végrehajtva a szárítást megkapjuk a C figuratív pontnak megfelelő h, x, t-paraméterekkel rendelkező végső levegőt, amelynek egy része visszakeverődik, másik része kivezetődik a - 328-4 1

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban rendszerből. Ilyen szárítással lehet megoldani az enyv, az agyag és más ilyen nedves anyag nedvességének csökkentését. 12.16. ábra. Visszakeverős szárítás [Fonyó-Fábry]. 12.17. ábra. A többfokozatú konvekciós szárító ábrázolása a h-x diagramon [Fonyó-Fábry]. 12.6.3 A többfokozatú ellenáramú szárítás mérlege Hőérzékeny anyagok esetén, amikor a levegő hőmérséklete korlátolt, szokásos a levegő újrafűtése. Ilyenkor a többfokozatú szárítást alkalmazzuk. Ez azt jelenti, hogy a fáradt levegőt újra, meg újra melegítjük. Tehát, a kaloriferben konstans nedvességtartalmú melegítést (1-2, 3-4, 5-6 ), a szárítóban izoentalpikus szárítást végzünk ( 2-3, 4-5, 6-7 lásd a 12.17. ábrát). Az anyag és energia mérlegek felállításra képzeljünk el egy háromfokozatú szárító berendezést (lásd a 12.18. ábrát). Mint látható a szárító ellenáramban működik, minden egyes szárítás után következik a szárító közeg felmelegítése. 12.18. A többfokozatú szárító berendezés elvi vázlata. - 329 -

Szárítás A három lépésben bevitt hőmennyiséget a következő összefüggésekkel számítjuk: L h h L h (12.43a) Q I Q II Q III 2 1 3 h1 h4 h3 Lh5 h3 h h Lh L (12.43b) L (12.43c) 6 5 7 h5 A teljes hőmennyiség, pedig: Q QI QII QIII Lh 7 h 1 (12.44) Az eltávolított nedvességet pedig az alábbi összefüggések írják le: L x x L x (12.45a) w I w II w III 3 1 3 x2 x4 x3 Lx5 x4 x x Lx L (12.45b) L (12.45c) t 5 7 x6 Az összes nedvesség mennyiség, pedig: W GwI GwII GwIII G( w3 w4 ) G( w2 w3 ) G( w1 w2 ) Lx7 x1 (12.46) A szárító lég és hőszükségletet a következő összefüggésekkel számítjuk: 1 1 1 1 li, lii, liii, l (12.47 a, b, c, d) x x x x x x x x 3 1 5 3 7 5 7 1 q I h h h h h h h h 1 5 3 7 5 7 1 3, q, II, qiii q (12.48 a, b, c, d) x3 x1 x5 x3 x7 x5 x7 x1 12.7. Szárítóberendezések Mint ismeretes, a szárítás nagyon sokszor hőközléssel egybekötött anyagátadási művelet, ahol a nedvességvándorlás a nedves szárítandó anyagon belül, felületén és a környező közegben játszódik le. A szárítóberendezések nagyon sok változatban készülnek, attól függően, hogy milyen energiát alkalmazunk, és milyen feltételeket biztosítsunk a szárítás közben. Ezeket nagyon sok kritérium szerint lehet csoportosítani. Ezekből néhány példa: Üzemmód szerint Szakaszos Folyamatos Szárítóban lévő nyomás szerint Atmoszférikus Vákuumszárítók Nyomáson működő - 330 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Hőközlés módja szerint Konvekciós Vezetéses Hősugárzós Mikrohullámos Dielektromos Szárítóközeg és az anyag mozgása szerint Egyenáramú Ellenáramú Keresztáramú 12.7.1. Atmoszférikus konvekciós szárítók E csoportba elég sok szakaszos és folyamatos szárító tartozik. Míg a szakaszosan működőkre jellemző a fizikai munkaigény, a folyamatosak legtöbb esetben mechanizálva vagy automatizálva vannak. Nem kevés a számítógép vezénylésű szárító se. 12.7.1.1. Szárítószekrények-szárítókamrák. A legegyszerűbb szárító berendezések az un. szárítószekrények. Ezek szakaszos üzemben működnek és térfogatuk lehet kisebb, vagy nagyobb méretű. Míg a kisebb mérető szekrényekben nincs szükség a környezeti légkör kényszer áramoltatására, hisz a szabadáramlás is megoldja a hő közvetítést, addig a nagyobb méretű szekrényekben és a kamrákban a kényszeráramlást egy vagy több ventillátor oldja meg. A hőszabályzás, sőt a megszabott fűtési sebesség, majdnem mindegyik szárítószekrény velejárója. Ezt könnyen is meg lehet oldani az elektromos fűtésű szekrények esetében és egy kissé nehezebb, de ott is megoldható, ha a fűtésre gőzt használunk. Egy ilyen kényszeráramlású elektromos fűtésű szekrény látható a 12.19. ábrán. A szárítandó anyagot rácsra helyezett tálcákra rakják. A szárításkor felszabadult gőzök eltávolítására a szekrény felső fele nyílással van ellátva. A szárítószekrény működhet állandó hőmérsékleten vagy valamilyen program szerint beállított fűtési sebességgel. Az atmoszférikus szárítószekrények vagy kamrák egy másik változata a kényszeráramlásos kivitelezés. Itt a ventillátora a szárítóközeget leggyakrabban a - 331-12.19. Laboratóriumi szárítószekrény.

Szárítás meleg levegőt- a kaloriferre áramoltatja, majd onnan kerül be az igazi szárítózónába. A gőzökkel gazdagodott szárítóközeget lehet részben vagy egészben recirkuláltatni. Egy ilyen típusú szárítószekrényt mutat be a 12.20. ábra. 12.20. Recirkulációs szárítószekrény:1- szárítószekrény, 2-ventillátor, 3-kalorifer, 4-tálcák, 5-friss szárítóközeg belépés, 6- használt közeg kilépés, 7-visszavezetés biztosító nyílás [Fonyó-Fábry]. Amikor nagyobb anyagmennyiséget szükséges megszárítani, ha a szakaszos üzemmódot alkalmazzuk, akkor a kamra növekedésével oldjuk meg nagyobb termelékenységet. Az ilyen kamrákban a szárítási sebesség szabályozására a szárítóközeg állapotát változtatjuk. Erre a recirkulációs arányt, az áramlási sebességet és a kaloriferbe bevitt fűtőközeg minőségét változtathatjuk. A szárítandó anyagot tálcára rakjuk. Az ömlesztett anyagok esetében egy jól megszabott rétegvastagságot használunk, így megóvjuk az anyagot a károsodástól. A legtöbb esetben a szárítóközeg a levegő, de lehet bármilyen a szárontandó anyaggal inertül viselkedő gáz is. Sok esetben, főleg a kevésbé érzékeny és igényes anyagok esetében égésgázokat alkalmaznak. A konvekciós szárítóberendezések egyik változata a mozgatható tálcás szárító (lásd a 12.21. ábrát). Itt a nedves anyagot épp úgy, mint a szekrény típusú szárítók esetében, tálcákra rakják, de most a tálcákat a szekrényen kívül töltik meg, és azután tolják be a szárító térbe. Így meg - 332 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban lehet növelni a termelékenységet, hisz amíg az egyik állvány a szekrényben van, a másikat meg lehet rakni, a harmadikot pedig le lehet üríteni. 12.21. ábra. Gördülő állványú szárítókamra: 1- kamra, 2- ventillátor, 3-kalorifer, 4-tolóajtó, 5-terelőlemezek, 6- polcok, 7-szállitókocsi, 8-frisslevegőbelépést biztosító nyílás, 9- használt levegő kilépést biztosító kürtő [Fonyó-Fábry]. A szekrények szárítóközegének fűtésére villamos fűtőket, gőzkalorifereket vagy napenergiás pannókat alkalmazhatunk. Egy ilyen napenergiás pannót tartalmazó szárítóberendezést mutat be a 12.22. ábra. A szárítóközeg a levegő, melyet a ventillátor áramoltat a kamrába lévő tálcák közé. Az elhasznált levegő a kéményen távozik a kamrából. A szekrények és a kamrák nagy hátránya az, hogy a termelékenység alacsony, sok munkával jár az anyag behelyezése és a kamraürítés. Épp ezért, ahol a termelés ezt megköveteli, a szárítás közben az anyagot mozgatják. Az ömlesztett termékek esetében inkább a folyamatos üzemet helyezik előtérbe, amikor a szárítással egyidejűleg megoldjuk az anyag mozgatását is. Az egyik legegyszerűbb megoldást az alagútszárító biztosítja. Itt a szállítókocsi egy hosszú kamrán egyenletes mozgással haladva átmegy úgy az előmelegítési, mint a szárítási és a hűtési zónán. Az alagútkamra hosszal lehet szabályozni a különböző zónákban való tartózkodási időt, úgy a megfelelő szárítási sebességet is. Ilyen szárító berendezés megoldja a - 333 -

Szárítás folyamatos üzemmódot, hisz a kezdeti kocsi felrakás és ürítés közben az anyag egy teljes szárítási ciklust tesz meg, ahol a különböző módon megoldható a hőmérsékletemelkedés, csökkenés és a szárító közeg nedvességtartalma is szabályozható. Egy ilyen rendszert mutat be a 12.23. ábra. A szárítási sebesség állandóvá tétele megköveteli az ellen áram alkalmazását. A szárító közeg minősége úgy a ventillátor térfogatáramával, mint a hevítés fűtőközegével és a recirkulációs zár állásával biztosítható. A nagyon hosszú kamrák esetében a keresztáram alkalmazásával is lehet a zónák hőmérsékletét és nedvességtartalmát biztosítani. 12.7.1.2. Szalagszárítók. Az ömlesztett anyagok esetében, de nem csak azoknál, a folyamatos nedvességeltávolítást biztosítják 12.22. ábra. Napelemes szárítókamra. a szalagszárítók. Itt e szállítást a szalagszállító oldja meg, amely lehet egy kamrában beépítve, vagy a szárítási zónák a szállítószalagra vannak ráépítve. A kamra zónáinak a hőmérsékletét különböző helyzetben lévő kaloriferek segítségével biztosítják, mint ahogy a 12.24. ábrán is látható. Abban az esetben, amikor a szárítási idő következtében nagyon hosszú szalagra volna szükség, akkor a kamrába épített több szalagból álló szárítót javasolják. Ilyen szalagszárítót mutat be a 12.25. ábra. A levegőáramlási sebessége kb. 3 m/s, a szalag sebesség pedig nem haladja túl a 0,5 m/s. Az áramlásra jellemző a keresztáram, de ezt meg lehet változtatni a megfelelő terelőlemezek alkalmazásával, úgy hogy ellenáramúvá is lehet alakítani. A zöldségfélék szárítására alkalmazható szalagszárító berendezés látható 12.26. ábrán. A megtisztított zöldséget egy szállítószalag emeli fel a betáplálási résig. Ott kerül be a szárítóba, majd onnan ugyancsak egy szállítószalag segítségével szállítják tovább más műveleti egységhez (csomagoló vagy őrlő egységek). A szállítóberendezés szalagja általában hőálló anyagból szilikon kaucsuk, vagy fémlemez, avagy fémszálas szövetből készül. A hajtómű villanymotorjai a kamrán kívül vannak elhelyezve, belül csak a dobok és görgők találhatók. A szárítóközeg áramoltatása ventillátorral történik. Az áramlási sebességet úgy határozzák meg, hogy a közeg kinetikai energiája ne ragadja magával a szárított anyagot. A szárítóközeg hőfokát kaloriferek segítségével állítják be a megszabott értékre. - 334 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban 12.23. Alagútszárító: A-kamrahossz, B- kamraszélesség, C- szárító magasság. 12.24. Szalagszárító zónahőmérséklet szabályzása. 12.7.1.3. Dobszárító. A szemcsés anyagok folyamatos szárításra alkalmas a dobszárító is, Itt is a szállítás és a szárítás egy időben történik. A dob lehet hengeres vagy csonka kúp alakú. A szárítóközeg és a szemcsék közti felület növelésére a dob belső szerkezete ki van építve változatos akadályokkal (lásd a 12.27. ábrát). A legtöbb dobszárító közvetlenül oldja meg a hőátadást. Vannak azonban olyan dobszárítók is, ahol a dob felületét fűtik vagy mindkét megoldást alkalmazzák, fűtik a felületet, és meleg szárítóközeget fújnak be. A nedves anyag - 335 -

Szárítás tartózkodási idejének szabályzására a dob hajlásszögét és fordulatszám változtatást alkalmazzák. 12.25. ábra. Többszalagos szárító: 1-kamra, 2-szalag, 3-hajtódob, 4-görgők, 5-kalorifer, 6 használt levegő kivezető csonk, 7-levegő bevezetés, [Fonyó-Fábry]. 12.26.ábra. Szalagszárító berendezés. - 336 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban 12.27. ábra. Dobszárító betétek: a-lapátos, b- nagycellás, c- kereszt alakú, d- kvadrós, e-cellás [Fonyó-Fábry]. 12.28. ábra. Cukoripari dobszárító: 1-dob, 2-szárító zóna, 3-hütő zóna, 4-kalorifer, 5-torlasztó, 6- nedves cukor betáplálás, 7-száritott cukor kihordó, 8- használt levegő elvezető csonk, 9- zóna összekötő, 10- nedves anyagadagoló csiga, 11- szárított cukor kihordó csigaszállító, 12- ventillátor, 13- ciklon, 14-nedves porleválasztó, 15- gőzcsonk, 16-kondenzcsonk, 17-por, 18- fáradt levegő, 19- vízpermet, 20-túlfolyó, 21-iszap [Fonyó-Fábry]. - 337 -

Szárítás A dob fordulatszáma kb.1 8 ford/perc, hajlásszöge 0,5 6 hosszság/átmérőaránya pedig 3,5.8 között mozog. A 12.28. ábrán a cukoriparban használt dobszárító vázlata látható. A forgódobos szárítók egy érdekes képviselője az un. Roto-Louvre szárító (lásd a 12.29. ábrát). Ezt nagyobb szemcsézetű, 0, 12.29. ábra. Roto-Louvre szárító: 1- csigaadagoló, 2- külső hengeres köpeny, 3- kürtő, 4-kidobóház, 5- torlasztó-légszabályzó, 6 - kibocsátó nyílás, 7- szárítóközeg bevezetés, 8 - fedőlemezek, 9 - légrések, 10 - radiális lemezek [Fonyó-Fábry]. pormentes anyagok szárítására alkalmazzák. A szárító átmérője kb.0,7 3,5 m közötti, míg hossza eléri a 11 m is. A szárító teljesítménye meghaladhatja a 1,5 kg/s víz eltávolítást. Általában a hőközlés direkt úton történik, a szárítóközeg a kialakult réteget fellazítja és átáramlik rajta. A keletkezett gőzök a kidobó házban elválnak az anyagtól, és a kéményen elhagyják a berendezést. A beépített zsaluk segítségével a kialakított réteg elég jól elosztódik, és több ideig van érintkezésben az áramló fűtőközeggel. A dob fajlagos térfogattöltése kb. 15%. Itt is a fordulatszámmal, na meg a tengely hajlásszögével lehet szabályozni a tartózkodási időt. A szárító fajlagos termelékenysége eléri a 240 kg/m 3 h értéket. 12.7.1.4. Függőleges szárítók. A szemes termékek, főleg a gabonák szárítására alkalmazzák a toronyszárítókat. Itt a szemcsék áramlása gravitáció hatására történik, ellenáramban a befujt szárítóközeggel (előmelegített levegő, vagy higított füstgáz). A kis szemcsézető iszapszerű anyagok szárítására az úgy nevezett forgótányéros szárítót alkalmazzák (lásd a 12.30. ábrát). A szárítókat több kivitelezésben készítik, Vannak központi turbinával ellátottak, vagy oldalturbinás szárítók. A keresztáramlást biztosító turbina ráfujja a szárítóközeget a főtő felületre, onnan a tálcák tetején átáramlik a tálcák közti térbe. A szilárd nedves anyag melegítése közvetlen érintkezésben és közvetve a tálcákon keresztül történik. Az anyag áramlását a tálcákon lévő lekotró lapátok segítik. A tálcák szegmensekből készültek. A köztük lévő réseken lefolyó anyag az alsó tálcára jut. - 338 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban A felső tálcán létezik egy szint kiegyenlítő lapát, majd alább, minden tálcán van egy lazító gereblye és természetesen a lekotró lapát. A friss levegő alul lép be, a fáradt levegő pedig a felső részen hagyja el a szárítót. A levegő áramlási sebességét és a légáramot szabályozni lehet úgy a síberekkel, mint a turbinák fordulatszámával. A szárító átmérője 2 9 m között változik, emeletek száma 10-20 közötti. A tálca fordulatszáma kb. 0,1 0,4 12.30. ábra. Forgótányéros szárító [Fonyó-Fábry]. ford/perc, légáramlási sebesség 1 4 m/s. Fajlagos termelékenység 4 10 kg víz/m 2 h. Hő szükséglete meghaladja az 5 MJ/kg víz értéket. 12.7.1.5. Fluidizációs szárítók. A termelékenység növelésére legalkalmasobb konvekciós szárítók azok, amelyekben minden nedves részecske körül van véve a fűtőközeggel. E csoportba tartoznak fluidizációs illetve a pneumatikus transzportra alapuló szárítók. A fluidizációs szárítóesetében a szárítandó anyag fluid állapotban van. A szárítóközeg 3 funkciót lát el: leadja a hőjét mozgásban tartja a szemcsehalmazt felveszi és magával viszi a nedvességet. A nagy hőátadási tényező biztosítja a gyors szárítást, így magasabb hőmérséklet ellenére az anyag kevésbé károsul, mint a más típusú szárítókban, ahol a túlhevítéssel számolni kell. A fluidizációs szárítást megvalósíthatjuk szakaszos üzemmódban vagy folyamatosban. Míg a szakaszos üzemmód kis mennyiségekre alkalmas, nagy volumenű termeléskor a folyamatosat alkalmazzák. A - 339-12.31. Gejzíres szárító: 1-gejzírcső, 2- gázcsatorna, 3- külső gyűrű, 4-befúvó.

Szárítás legegyszerűbb szakaszosan működtethető szárító a gejzíres szárító, melynek vázlatát a 12.31. ábra tartalmazza. Az állandó mozgásban lévő részecskék mindég érintkeznek a fűtőközeggel, úgy átveszik a hőt és leadják a nedvességet gőz formájában. Az ilyen típusú szárítónál a részecskék ütközése méret csökkenését is előidézhetnek, úgy a kilépő gazok magukkal ragadják a kisméretű finomszemcséket. Ezért a szárítót fel kell szerelni porleválasztó berendezéssel. A fluidizációs szárítókat nagyon sok változatban gyártják. Vannak egy lépcsős és többlépcsős szárítók, mikrogejzíres szárítók, vibrációs szárítók és nem utolsó sorban fluidizációs szárítók és egyúttal szállítók is. Ebben az utóbbi esetben a szemcséket a betáplálástól az ürítésig vízszintesesen szállítják, úgy hogy a többkamrás fluidizációs szárítóban különböző áramlási és nyomásviszonyokat biztosítanak. Találhatók olyan megoldások is, hogy a fluidizációs ágyat pneumatikus ággyal kapcsolják össze, vagyis a megszáradt könnyebb részecskéket az áramló közeg kihordja a fluidizációs ágyból. Ezeket majd egy ciklon és szűrő rendszereken elválasztják a szárítóközeg áramából. 12.32. ábra. Fluidizációs szárító berendezés (Imre szerint): 1- Nedves anyag bunker, 2- adagoló, 3-fluidizációs ágy, 4- szárító, 5-előmelegitő, 6-ventillátor, 7-szárazanyag kihordó, 8- szalagszállító, 9-ciklon, 10- zsákszűrő. 12.33. Pneumatikus szárító: 1- előmelegítő, 2- cellás adagoló, 3- szárító cső, 4- ventillátor, 5-ciklon, 6-kürtő [Fonyó-Fábry]. A 12.32 ábrán bemutatott fluidizációs szárító berendezésben a szárazanyag elvonás három féle képen történik, egyrészt gravitációhatásra az ágyból való kivezetéssel, - 340 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban másrészt az áram által kiragadt részecskéket ciklonban, majd a nagyon kis szemcséket zsákszűrőben távolítják el a szárítóközeg áramából. A 12.33 ábrán bemutatott pneumatikus szárítóberendezés nagyban hasonlt a fluidizációs berendezéshez, hisz tartalmaz levegőkondicionálást, szárítást, részecske elválasztást. A különbség a két módszer között hogy a pneumatikus szárító a részecske szállítása közben végzi el a nedvesség eltávolítását. 12.7.1.6. Porlasztva szárítók. A konvekciós szárítás egyik különleges változata az un. porlasztva szárítás. Lényege a szárítandó anyag finom szemcsékké aprózása, amelyek a szárítóközeg hatására elvesztik nedvességüket. A porlasztás több módszerrel valósítható meg. Ismert a centrifugális-mechanikus módszer hidraulikus-mechanikus módszer pneumatikus módszer. Míg az első esetben a porlasztást forgótárcsával oldják meg (a fordulatszám 20000 ford./perc körüli), a második esetben nagynyomású szivattyúkat és dűzniket alkalmaznak (lásd a 12.34. ábrát), a harmadik esetben sűrített levegős porlasztó fúvókával alakítják ki a zagyból, illetve a sűrítményből a csepp permetet. Alkalmazási terület: Élelmiszeripar: szárított tejtermékek (tejpor, savópor, írópor), paradicsompor, tojáspor stb., Mosó és mosogatószer gyártás, Finomkémiai ipar, Finomkerámiai és kerámia ipar. A porlasztva szárítás előnyei: Gyors szárítás, mialatt az anyag nem károsodik a magas hőmérsékletű levegővel érintkezve, Előkezelést nem igényel, A termék por alakú, nincs szükség további aprításra, Nagy teljesítményű, Könnyű szabályozni a szárítási műveletet, Nagy hőmérséklettartományban 12.34. ábra. alkalmazható. Porlasztó. Az ipari berendezések tartozéka a nagy térfogatú szárító kamra, a szárítóközeg előmelegítő, szállító ventillátor, a porleválasztást megoldó ciklon és szűrő, a sűrítmény szállító szivattyú. Épp úgy, mint a fluidizációs szárításnál a porlasztva szárító berendezések esetében is a száraztermék különböző - 341 -

Szárítás áramban hagyja el a berendezést. A nagyobb szemcséjű részecskék a kamrában ülepednek le, tehát az alján gyűlnek össze, onnan oldják meg a kihordást. A kisebb méretű részecskéket, amelyeket a szárítóközeg magával ragadt, a ciklonból és szűrőből kikerülve kerül a szárított termékhűtőbe. A szárítókamrában különböző áramlás típust alkalmaznak, kezdve az egyenáramtól az ellenáramig és egész a centrifugális áramteret kialakító ciklonszerű áramlásig. Például a tejpor gyártás esetében, amikor a sűrítményt tárcsával porlasztják, a szárítóközeg bevezetése a kamrában tangens irányban történik, megóvva így a hosszú repülési pályával rendelkező cseppeket a falra ragadás veszélyétől. A kamra hengeres fala mellett áramló fűtőközeg magával ragadja a nagyröppályájú cseppeket és a kimenő csonk fele szállítja. Mivel ezek a cseppek a legnagyobb méretűek is, nem tudja kiáramoltatni a kamrából, így a gravitáció hatására leülepednek. A 12.35. és 12.36. ábrán különböző típusú porlasztva szárítót láthatunk 12.35. ábra: Egyenáramú porlasztva szárító kamra: 1-sűritménybetápláló csonk, 2-porlasztó tárcsa, 3- fűtőközeget bevezető csonk, 4- elosztófej, 5- fáradtközeget kivezető csonk, 6-leüllepedett szemcseréteg, 7- cellás adagoló/záró [Fonyó-Fábry]. 12.36.ábra: Porlasztva szárító vibrofluidizált szárítóval / hűtővel kapcsolva. I. meleg levegő befújása a szárítóba, II. meleg levegő befújása a szárító III. tároló részébe, Meleglevegő befújása a vibrofluidizált szárítóba. [Fonyó-Fábry].. A 12.35. ábrán látható, hogy a kamrába betáplált szárítóközeg és a szemcsék egyenáramban haladnak. A be fúvás úgy történik, hogy a nagy nedvesség tartalmú cseppek zuhanását egy kissé késleltesse, aminek a következménye, hogy a szárítás - 342 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban gyorsan megvalósul, a lefele haladó részecskék már elvesztették nedvességük nagyobb részét. A 12.36. ábrán látható berendezés egy szárítókamrát, fluidizációs szárítót-szállítót és ugyancsak egy fluidizációs hűtőt tartalmaz. Látható, hogy a száraz szemcsék két helyen kerülnek a vibrofluidizációs szárítóba, a kamrából és a ciklonból. A berendezést a száraz, hűtött szemcsehalmaz hagyja el. A befújt levegő minőségének változtatásával lehetséges nagyfelületű, könnyen oldódó vagy diszpergálható termék előállítása. Az egyenáram alkalmazása megóvja a terméket a hő károsodástól (akkor kap a részecske a legtöbb hőt, amikor a legnagyobb a nedvessége), ellenben a megszabott nedvesség elérése nagyobb időt követel, vagy feltételezi két típusú szárító összekapcsolását, mint amilyen a bemutatott 12.36. ábrán látható. 12.7.2. Kontaktszárítók A kontaktszárítás megvalósításakor a nedvesség elpárologtatásához szükséges hőt vezetéses mechanizmussal kapja a nedves anyag. A keletkezett pára az anyag közvetlen környezetébe kerül, ahonnan természetes diffúzióval terjed tovább. A szárítás megvalósítható úgy normál nyomáson, mint vákuumon. Erre a szárítási módszerre jellemező a folyamatos üzemmód. A felmelegített felületre valamilyen módszerrel bemerítés, ráfújás, ráfolyatás, rákenés ráviszik a szárítandó anyagot. A henger felmelegíti a rávitt anyagot, a nedvesség elpárolog, és a henger feletti elszívó elvezeti a párát. A henger felületére tapadt száraz anyagot eltávolítjuk, mechanikus módszerrel, hő sokkal vagy ráfújt levegővel. Sokszor a hengerek fűtése mellett alkalmazható a pótfűtés is, vagyis meleg fűtőközeget fújunk a hengerekre, úgy a végső nedvesség beállítást konvekciós szárítással érjük el. 12.37. ábra. Kéthengeres kontaktszárító légfúvásos szárazanyag eltávolítóval: 1,2- gőzzel fűtött hengerek, 3-páraelszivó, 4-kürtőcsonk, 5- zagyrávivő permetező, 6-lekeperó, 7- légzuhany, 8-ventillátor, 9- kalorifer [Fonyó-Fábry]. - 343 -

Szárítás A 12.37 ábrán egy ilyen összetett kontakt és konvekciós kéthengeres szárító berendezés látható. A lekapart szárított anyag a gyűjtőbe való bevezetésére légáramot alkalmaznak. Így megoldják a meleg termék konvekciós hűtését is. A hengerek felületére való felhordás lehetséges változataiból szemléltet a 12.38. ábra. Jól látható, hogy létezik a teknős-kádas, felkenő hengeres, ráöntéses és nyomóhengeres változat. Ugyanakkor alkalmazható a ráfújás és a centrifugális erőtérben való rászórás módszere is. 12.38. Hengeretetési módozatok. 12.39. Perdítő szárító: 1-hajtómű, 2-fejrész, 3-száritott termék kivezető csonk, 4-szállitó, felhordó henger, 5-terelő, 6- köpeny, 7-anyag, 8- pára/légút, 9-főtököpeny, 10-nedvesanyag, 11-szállitólevegő,13- alsórész [Fonyó-Fábry]. A kontaktszárítók egyik változata a Drall-csöves szárító (lásd a 12.39. ábrát). Itt az anyagot egy függőleges, köpennyel ellátott henger belső falára keni fel a csigavonalas forgó test. A szállítás az mechanikus és pneumatikus egyaránt. A mechanikus szállítást a mozgó csigafelület oldja meg, míg a pneumatikust a 11-344 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban csonkon bevitt levegő. Ez a levegő viszi magával a párát, és hordja ki a szemcséket is. Alkalmas nagyon nagy nedvességgel rendelkező szemcsés anyagok szárítására. 12. 7.3. Vákuumszáritók A kontaktszárítás egy másik alkalmazott módozatát a vákuumszárítóknál találjuk meg. Ezek lehetnek szakaszos üzeműek vagy folyamatosak. 12.40. Tálcás vákuumszárító: 1-anyagréteg, 2-fűtőtt tálcák, 3-száritószekrény, 4- fűtőközeg, 5- kondenzátum, 6-csatlakozó, 7-elszivóvezeték csapja, 8- hűtőkondenzátor [Fonyó-Fábry]. 12.41. Kéthengeres vákuumszárító: a- szárítókamra záró, b- hengerek, c- nedves anyag adagolás, d- száraz anyag leszedő, e-csatlakozó a vákuumszivattyúhoz, f- tartályok, g- kezelőnyílások, h- páraelszívó [Fonyó-Fábry]. - 345 -

Szárítás A vákuumszárítók alkalmazása akkor indokolt, ha: Nagy értékű terméket kis hőmérsékleten kell kíméletesen szárítani; Az anyag formájánál és állagánál fogva nem tűri a mozgatást; Könnyen gyulladó anyagot biztonságosan kell szárítani; Higroszkópos anyagot kell vízteleníteni. A vákuumban a szárítás hőmérséklete alacsony, a párologtatás sebessége nagyobb, mint atmoszférikus szárításnál. Míg a 12.40 ábrán egy szemcsés, hőre érzékeny anyag szárítására alkalmas szárítót látunk, addig a 12.41 ábrán egy hőre érzékeny pasztaszerű anyag szárítására alkalmas szárító berendezés van bemutatva. 12.42. Tányéros kontakt-vákuumszárító: 1- nedves anyag útiránya, 2- fűtött tányér, 3-kaparószerkezet, 4-tányérszegély, 5- szárazanyag, 6- hengeres palást, 7 fűtőközeg betáplálás [Fonyó-Fábry]. A 12.42 ábrán egy henger alakú tányéros, kontakt vákuumszárító vázlatát láthatjuk. Minden tányér külön fűtve van. A tányérokon a központi tengelyre szerelt gereblyeszerű kaparószerkezet mozgatja az anyagot, és megoldja a vízszintes - 346 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban irányú szállítást. Látható hogy a betáplált anyag gravitáció hatására az egyik tányérról a másikra esik, míg végül be nem kerül a torony alján lévő tárolóba. A toronyátmérő 2 5 m között változik. A tányérszám elérheti a 40-et, míg a kaparó fordulatszáma 0,3 3 ford/perc közötti. A berendezés működhet atmoszferikus nyomáson vagy vákuumban egyaránt. Fajlagos termelékenysége kb. 4-15 kg víz/m 2 h. a: Nedves anyag elterítve a tálcán. 12.43. Tálcás vákuumszárító mikrohullámú fűtéssel. A vákuumszáritól egyik modernebb változata a mikrohullámú fűtésű szárító. Mint ahogyan a 12.43. ábrán is látható a hőérzékeny nedves anyagot (jelen esetben - 347 -

Szárítás zöldség) egy bizonyos rétegvastagsága elterítik (kb. 20 mm), bejuttatják a kamrába, lezárják, majd vákuumot hoznak létre. Azután rákapcsolják a rövid időtartalmú hőszabályzott mikrohullámfűtést. A vákuum segítségével és a mikrohullám erőségével szabályozható a termék szárítási sebessége. 12.44. Szakaszos planetáris keverős vákuumszárító berendezés. Sok esetben szárítás gyorsítására a művelettel együtt a keletkezet terméket keverik is felújítva így a kontaktfelületet. A 12.44. ábrán egy ilyen komplex laboratóriumi berendezés látható, amely több féle szárítást tud megoldani, hisz működhet atmoszférikus nyomáson, vákuumon, sőt nagyon alacsony hőmérsékleten is. 12.7.4. Szublimációs szárítók Ismert dolog, hogy nagyon sok anyagösszetevő hőre nagyon érzékeny. Gondoljunk csak a vitaminokra és a labilis szerves vegyületekre. Annak ellenére a termékek tartósítása megköveteli a vízaktivitás, vagyis a víztartalom csökkenését. Ez megvalósítható fagyasztással is, de ilyenkor nem csak a nagy energiaszükséglet ellenérv, hanem a termékszállításának a költsége is mérvadó lehet. Épp ezért, olyan eljárásokat keresnek, amelyek egyrészt megoldják a tartósítást, másrészt a gazdaságos termékelosztást is szavatolják. Ilyen módszerek az élelmiszeráruk esetén a szárítással megoldott vízaktivitás csökkentést követő fagyasztás vagy a fagyasztott áruk szárítása, úgy, hogy a jégszublimálással távozzon a víz a termékből. E folyamat elvét a 12.45. ábrán láthatjuk. Fagyasztással a víz jéggé alakul (1-2-3 lépés), majd ha csökkentjük a jég fölött a víz gőznyomását, akkor az egyből elpárolog (3-4 lépés). A megoldandó probléma a párolgási hő biztosítása és a pára elvitele a felületről. Míg ezt az utóbbit könnyen megoldhatjuk egy - 348 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban kondenzációs vákuumrendszerrel, a párolgáshő biztosítása már nehezebb, hisz azt úgy kell megvalósítani, hogy a víz ne kerüljön cseppfolyós halmazállapotba. 12.45. A liofilezés elve: 1-2 fagyasztás, 1-2-3 mélyfagyasztás, 2-Hnyomáscsökkenés, 3-4- párolgás A fagyasztva szárítás liofilizálásművelet lényege: a termék nedvességtartalmának kombinált eltávolítása. Először fagyasztani kell a kiindulási anyagot, majd a fagyasztott áruból a jég állapotban lévő nedvességet szublimálni. 12.46. Fagyasztva szárító berendezés vázlata: 1- fagyasztás, 2- részecske szállítás, 3- tartály, 4-szublimációs szárítótartály, 5-kaszkád, 6-kondenzátor, 7-vákuumszivattyútelep, 8-száritott anyag tartály, 9- fűtőközeg bevezetés [Fonyó-Fábry]. A nedvesség úgy szublimál, hogy a szilárd vázszerkezet nem deformálódik nedvességgel találkozva szinte eredeti formáját, adja. A műveletet 263-243 K hőmérséklet és 0,3...2 Hgmm gőznyomás tartományban hajtják végbe az un. liofilező szárítókban. Főbb alkalmazási területek: kávék, gyümölcsök, színezékek, húskészítmények, gyógyszer extraktumok, stb. gyártása. A 12.46. ábrán egy szublimációs kaszkádszárító vázlata látható. A nagyon jó áramlási tulajdonsággal rendelkező fagyasztott szemcséket a 2. szállítóval a 3. bunkereken keresztül bevezetjük a vibrációs kaszkád felületre. Itt a mikro rezgések segítségével vízszintesen szállítják a részecskéket. A fűtött felület biztosítja a szublimálási hőt, amelyet egy megszabott program szerint szakaszosan biztosítunk a rendszernek. A párát egy kondenzátort is tartalmazó vákuumszivattyú rendszerrel vezessük ki a kamrából. A 6 9 perc alatt a fagyasztott, max. 2 mm átmérőjű szemcsék elvesztik nedvességüket, úgy hogy azok már szárazon kerülnek a 8-as tartályba. A modernebb berendezésekben már más fűtési módozatokat is találunk, olyant, mint a dielektromos fűtés vagy az elektromágneses hullámokkal való fűtés. - 349 -