Proses Tekniği HAFTA 11-12 KURUTMA

Proses Tekniği HAFTA 11-12 KURUTMA

Kurutma Kurutma nedir? Gözenekli yapıya sahip üründeki nemin, ısı ve kütle transferi yardımıyla alınarak kurutucu akışkana (gaz veya hava) taşınması olayına Kurutma denir. Neden Kurutma yapılır? Ürünün bozulmadan uzun süre dayanması Tohumların çimlenme yeteneklerinin korunması Ekonomik değeri olan yeni ürünlerin elde edilmesi (kuru üzüm vb.) Ürün atıklarının yeni bir alanda değerlendirilmesine olanak vermesi Ürünlerin erken hasat edilmelerine olanak verilmesi için kurutma yapılır.

Kurutma Kurutma prosesi, gıda endüstrisi haricinde birçok alanda da enerji prosesleri için çok önemli ara prosestir. Çoğu zaman ürün işlenebilmesi için belirli kurulukta olması istenir. Seramik üretimi bir tipik örnektir. Seramik sinterlemeden önce kurulmalıdır. Aksi taktirde nem daha sonraki yüksek sıcaklıklarda buharlaşır ve ürünü parçalar. Tuğla, kiremit, kereste ve inşaat malzemelerinin imalatında ve işlenmesinde kurutma işlemi çok önemlidir. Ayrıca kurutma, kimya ve tekstil endüstrilerinin vazgeçilmez bir prosesidir.

Kurutma yöntemleri 1. Doğal (güneşte) kurutma 2. Isıtılmış hava ile (kontak) kurutma 3. Vakum kurutma 4. Dondurarak kurutma

Kurutucu tipleri Ürünlerinin kurutulmasında kullanılan kurutucular, kurutulacak ürün tipine ve uygulanacak kurutma yöntemine bağlı olarak farklı gruplara ayrılmaktadırlar. Gıda (sebze, meyve) ve bunlardan üretilen ikincil ürünlerin ve diğer sanayi ürünlerinin kurutulmasında kullanılan kurutucular genel olarak; kabin tipi, arabalı tünel tipi, sonsuz bantlı tünel tipi, dönen silindirik tip, akışkan yatak tipi, valsli, vakumlu, püskürtmeli tip kurutucular şeklinde sıralanabilir.

Kurutucu tipleri Püskürtmeli kurutucu Tünel tipi kurutucu Dönel silindirik kurutucu Bantlı tip kurutucu Merdaneli tip kurutucu Akışkan yataklı kurutucu

Kurutmada kısmi basınç ilişkisi Kurutma tekniğinde toplam basınç, çevre basıncı dolaylarında yani 1 bar dolaylarında, havanın su buharı konsantrasyonu çok düşüktür. Dolayısıyla, doymamış hava, kuru hava ve su buharının karışımından oluşan ideal gaz karışımı olarak değerlendirilir. Ürün üzerinden geçen havanın doymamış olması yani buhar kısmi basıncı p b, doymuş kısmi basınçtan p b den küçük olmalıdır. Kurutmada ürün ile basınç ilişkisi P v < P d,t Ürünün dış yüzeyindeki sınır tabakasındaki kısmi buhar basıncı P b, havanın buhar kısmi basıncı P v den daha büyük olmalıdır. P b > P v

Ürün nemi Nem üründe çeşitli hallerde ve farklı fiziksel-kimyasal bağlarla tutulur. Nemin bulunduğu duruma bağlı olarak uzaklaştırılması için farklı proses şarlarını gerektirir. Özellikle nemin buharlaşma basıncı dolayısı ile ısı ve kütle geçişi etkilenir. Nem üründe sıvı ve katı hallerde bulunur. Üründeki sıvı haldeki nem, nem ile ürün arasında bağ kuvvetlerine göre; dış yüzeyde, kapiler kanallarda, hapsedilmiş veya kimyasal bağlarla bağlanmış şekilde bulunabilir.

Ürünlerin kuruma özelliklerine göre sınıflandırılması Higroskopik Olmayan Ürünler Higroskopik olmayan ürünler de nemin buharlaşması ürün tarafından etkilenmez. Diğer bir deyişle nemin buharlaşması için etkin olan doyma basıncı ürün tarafından etkilenmez. Bu özellik suyun serbest yüzeyde buharlaşmasına benzerlik gösterir. Dolayısıyla bu tip ürünler neminin doyma basıncı da sadece sıcaklıkla değişen özelliğe sahiptir. Kurutma esnasında nemin buharlaştığı sınır tabakada değişmeyen doyma buhar basıncı sağlanır. Bu doyma basıncı ürün neminin tamamen kurtulmasına dek devam eder. Higroskopik Ürünler Higroskopik ürünlerde nemin buharlaşması yani nemin doyma basıncı etkilenir. Ürünün azalan nemine bağlı olarak doyma basıncıda düşer. Buharın düşen doyma basıncı kurutucu akışkanının kısmi buhar basıncına eşitlendiğinde kurutma prosesi durur. Ürünün daha fazla kurutulması için kurutucu akışkanın bağıl nemi dolayısıyla kısmi buhar basıncının düşürülmesi gerekir. Bu neden ile higroskopik ürünlerin tamamen kurutulması mümkün olamaz. Higroskopik olmayan ürünlerin kurutulması

Ürün nemi ölçüsü Ürün nemi ölçüsü (X veya M ile gösterilir) : Kurutulacak ürünlerde bulunan nem miktarının ifadesinde yaş baz (y.b) kuru baz (k.b) olmak üzere iki yöntem kullanılır. Yaş baza göre nem, M t,yb, materyaldeki su ağırlığının materyalin toplam ağırlığına oranı olarak ifade edilir. Kuru baza göre nem ise, M t,kb, materyaldeki su ağırlığının materyalin kuru ağırlığına oranı olarak ifade edilir. W su, üründeki su miktarı ve W kuru kütle, kuru kütle miktarı olmak üzere yaş baza ve kuru baza göre üründeki nem miktarı sırasıyla aşağıdaki denklemler ile ifade edilir.

Denge nemi Herhangi bir ortam içinde bulunan bir materyalin, o ortam içinde ulaşabileceği nem değeridir. Diğer deyişle denge nemi, ele alınan ürünün o koşullarda kazanacağı ya da kaybedeceği nem miktarını belirler.

Kuruma hızı A-B bölgesinde ürün yüzeyi ile kurutma havasının dengeye geldiği bölümdür. Ürünün ısınma evresi de denilebilir. Genellikle kurutma işlemlerinde göz ardı edilir. B-C bölgesinde ise kuruma sabit hızlı periyodda sürdüğü bölümdür. Bu periyodda buharlaşma hızı aynı şartlar altında bulunan bir sıvının yüzeyinde meydana gelen buharlaşma debisine eşittir. C noktasında kuruma hızı düşmeye başlamaktadır. C noktasında gıda maddesinin ihtiva ettiği nem, kritik nem olarak adlandırılmaktadır. C-E bölgesinde azalan hızla kurutma olayı devam etmektedir. Gıda maddesinin iç kısımlarından yüzeye doğru nemin taşınma hızı giderek düşmektedir. Azalan hızla kurutma periyoduda genellikle kurutma olaylarında iki bölümde seyretmektedir. C-D birinci azalan hızla kurutma periyodu ve E-D ikinci azalan kurutma periyodu.

Kuruma hızı t anındaki üründeki serbest su miktarı; Ürünün kuruma hızı: Sabit kuruma hızı periyodunda kurutma hızı (oranı): Burada A yüzey alanı, L s, kuru kütle miktarıdır.

Örnek- Sabit Kuruma Hızı Ürünün L s /A değeri 21,5 kg/m 2, t 1 = 1.68 h anında nem miktarı M 1 = 0.35, t 2 = 2.04 h anında nem miktarı M 2 = 0.325 olarak belirlenmiştir. Kuruma hızını (oranını) belirleyiniz.

Örnek-Sabit kuruma hızı periyodunda zaman hesabı L s /A değeri 21,5 kg/m 2, ürünün sabit kuruma hızı R=1.51 kg su /h.m 2 ise ürünün kuruma esnasında nem değerinin M 1 = 0.38 den M 2 = 0.25 kg su /kg kurukütle değerine gelinceye kadar geçen süreyi hesaplayınız.

Sürekli Kurutucularda Kütle Korunumu Ürün, F F kurukütle M g,kb Hava, G G g ω ç Kurutucu Ürün, F F kurukütle M ç,kb Hava, G G g ω g Sürekli koşullarda kayıplar ihmal edildiğinde üründen buharlaşan su miktarı, havanın taşıdığı su miktarına eşit olacaktır: F kk M g M ç = G g ω ç ω g

Enerji Korunumu F kk H k,g + G a H a,g = F kk H k,ç + G a H a,ç + Q kayıp Ürünün giriş ve çıkıştaki entalpi değerleri: H k,g =(c p,k +W g c 1 ) T k,g H k,ç =(c p,k +W ç c 1 ) T k,ç Havanın giriş ve çıkıştaki entalpi değerleri: H a,g =(c p,a +W g c 1 ) T a,g +ω g λ H a,ç =(c p,a +W ç c 1 ) T a,ç +ω ç λ Ayrıca denklemdeki Q kayıp, ısı kayıplarını ifade etmektedir.

Örnek-Sürekli Kurutucuda Kurutma Wet particulate solids (6000 kg/h) with an initial moisture content of 20% (db) at 20 C are to be dried to final moisture content of 4% (db). Inlet air at 125 C with humidity of 0.005 kg/kg is used. Bed depth is 20 cm. Under these conditions, bed density is 500 kg/m 3 and equilibrium moisture content is zero. Specific heat of the dry solids and liquid water are 1.0 and 4.2 kj/kg C, respect ively. Heat loss at the wall of the dryer is estimated as 5% of the heat content of inlet air. Calculate: (c) Mass flow rate of air (d) Absolute humidity of exhaust air (e) Temperature of exhaust air

Örnek-Sürekli Kurutucuda Kurutma Akışkan yatağa giren ürünün kuru kütlesi: Toplam su kütlesi dengesi: Kurutucu gaz kütlesi: A=11,11 m 2 (yatak alanı) Kurutucu çıkışındaki hava sıcaklığını bulmak için Enerji dengesi:

Örnek-Sürekli Kurutucuda Kurutma Giriş ve çıkışta ürünün entalpi değerleri: Değerler yerine konulur ve çıkıştaki hava sıcaklığı: Giriş ve çıkışta havanın entalpi değerleri: