Proses TekniğiHAFTA 11-12 KURUTMA

Kurutma

Kurutma nedir?

Gözenekli yapıya sahip üründeki nemin, ısı ve kütle transferi yardımıyla alınarakkurutucu 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.

KurutmaKurutma prosesi, gıda endüstrisi haricinde birçok alanda da enerjiprosesleri için çok önemli ara prosestir. Çoğu zaman ürün işlenebilmesiiçin belirli kurulukta olması istenir.

Seramik üretimi bir tipik örnektir. Seramik sinterlemeden öncekurulmalıdır. Aksi taktirde nem daha sonraki yüksek sıcaklıklardabuharlaşır ve ürünü parçalar. Tuğla, kiremit, kereste ve inşaatmalzemelerinin imalatında ve işlenmesinde kurutma işlemi çokönemlidir.

Ayrıca kurutma, kimya ve tekstil endüstrilerinin vazgeçilmez birprosesidir.

Kurutma yöntemleri1. Doğal (güneşte) kurutma

2. Isıtılmış hava ile (kontak) kurutma

3. Vakum kurutma

4. Dondurarak kurutma

Kurutucu tipleriÜrünlerinin kurutulmasında kullanılan kurutucular, kurutulacak ürün tipine veuygulanacak kurutma yöntemine bağlı olarak farklı gruplara ayrılmaktadırlar.

Gıda (sebze, meyve) ve bunlardan üretilen ikincil ürünlerin ve diğer sanayiürünlerinin kurutulmasında kullanılan kurutucular genel olarak; kabin tipi,arabalı tünel tipi, sonsuz bantlı tünel tipi, dönen silindirik tip, akışkan yataktipi, valsli, vakumlu, püskürtmeli tip kurutucular şeklinde sıralanabilir.

Kurutucu tipleri

Akışkan yataklı kurutucu

Püskürtmeli kurutucu

Merdaneli tip kurutucu

Dönel silindirik kurutucuTünel tipi kurutucu

Bantlı tip kurutucu

Kurutmada kısmi basınç ilişkisiKurutma tekniğinde toplam basınç, çevre basıncı dolaylarında yani 1 bar dolaylarında, havanın su buharıkonsantrasyonu çok düşüktür. Dolayısıyla, doymamış hava, kuru hava ve su buharının karışımından oluşan idealgaz karışımı olarak değerlendirilir.

Ürün üzerinden geçen havanın doymamış olması yani buhar kısmi basıncı pb , doymuş kısmi basınçtan pb ‘’ ‘denküçük olmalıdır.

Kurutmada ürün ile basınç ilişkisi

Ürünün dış yüzeyindeki sınır tabakasındakikısmi buhar basıncı Pb, havanın buhar kısmibasıncı Pv’den daha büyük olmalıdır.

P v < P d,T

Pb > Pv

Ürün nemiNem üründe çeşitli hallerde ve farklı fiziksel-kimyasal bağlarla tutulur. Neminbulunduğu duruma bağlı olarak uzaklaştırılması için farklı proses şarlarınıgerektirir. Özellikle nemin buharlaşma basıncı dolayısı ile ısı ve kütle geçişietkilenir.

Nem üründe sıvı ve katı hallerde bulunur. Üründeki sıvı haldeki nem, nem ileürün arasında bağ kuvvetlerine göre; dış yüzeyde, kapiler kanallarda,hapsedilmiş veya kimyasal bağlarla bağlanmış şekilde bulunabilir.

Ürünlerin kuruma özelliklerine göre sınıflandırılması

Higroskopik Olmayan ÜrünlerHigroskopik olmayan ürünler de nemin buharlaşması ürün tarafından etkilenmez. Diğer bir deyişle neminbuharlaşması için etkin olan doyma basıncı ürün tarafından etkilenmez. Bu özellik suyun serbest yüzeydebuharlaşmasına benzerlik gösterir. Dolayısıyla bu tip ürünler neminin doyma basıncı da sadece sıcaklıkladeğişen özelliğe sahiptir. Kurutma esnasında nemin buharlaştığı sınır tabakada değişmeyen doyma buharbasıncı sağlanır. Bu doyma basıncı ürün neminin tamamen kurtulmasına dek devam eder.

• Higroskopik ÜrünlerHigroskopik ürünlerde nemin buharlaşması yani nemindoyma basıncı etkilenir. Ürünün azalan nemine bağlı olarakdoyma basıncıda düşer. Buharın düşen doyma basıncıkurutucu akışkanının kısmi buhar basıncına eşitlendiğindekurutma prosesi durur. Ürünün daha fazla kurutulması içinkurutucu akışkanın bağıl nemi dolayısıyla kısmi buharbasıncının düşürülmesi gerekir. Bu neden ile higroskopikürünlerin tamamen kurutulması mümkün olamaz.

Higroskopik olmayan ürünlerin kurutulması

Ürün nemi ölçüsüÜrün nemi ölçüsü (X veya M ile gösterilir) : Kurutulacak ürünlerde bulunan nemmiktarının ifadesinde “yaş baz” (y.b) “kuru baz (k.b) olmak üzere iki yöntemkullanılır.

Yaş baza göre nem, Mt,yb , materyaldeki su ağırlığının materyalin toplam ağırlığınaoranı olarak ifade edilir.

Kuru baza göre nem ise, Mt,kb , materyaldeki su ağırlığının materyalin kuru ağırlığınaoranı olarak ifade edilir.

Wsu, üründeki su miktarı ve Wkuru kütle, kuru kütle miktarı olmak üzere yaş baza vekuru baza göre üründeki nem miktarı sırasıyla aşağıdaki denklemler ile ifade edilir.

Denge nemiHerhangi bir ortam içinde bulunan bir materyalin, o ortam içinde ulaşabileceğinem değeridir. Diğer deyişle denge nemi, ele alınan ürünün o koşullardakazanacağı ya da kaybedeceği nem miktarını belirler.

Kuruma hızı

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

Kuruma hızıt anındaki üründeki serbest su miktarı;

Ürünün kuruma hızı:

Sabit kuruma hızı periyodunda kurutma hızı (oranı):

Burada A yüzey alanı, Ls, kuru kütle miktarıdır.

Örnek- Sabit Kuruma Hızı

Ürünün Ls /A değeri 21,5 kg/m2, t1 = 1.68 h anında nem miktarı M1= 0.35, t2 = 2.04 h anında nem miktarı M2= 0.325 olarak belirlenmiştir. Kuruma hızını (oranını) belirleyiniz.

Örnek-Sabit kuruma hızı periyodunda zaman hesabı

Ls /A değeri 21,5 kg/m2 , ürünün sabit kuruma hızı R=1.51 kgsu/h.m2 ise ürününkuruma esnasında nem değerinin M1= 0.38 ’den M2= 0.25 kgsu/kgkurukütle

değerine gelinceye kadar geçen süreyi hesaplayınız.

Sürekli Kurutucularda Kütle Korunumu

Kurutucu

Hava, GGg

ωg

Ürün, FFkurukütle

Mç,kb

Ürün, FFkurukütle

Mg,kb

Hava, GGg

ωç

𝐹𝑘𝑘 𝑀𝑔 − 𝑀ç = 𝐺𝑔 𝜔ç − 𝜔𝑔

Sürekli koşullarda kayıplar ihmal edildiğinde üründen buharlaşan su miktarı, havanıntaşıdığı su miktarına eşit olacaktır:

Enerji Korunumu𝐹𝑘𝑘𝐻𝑘,𝑔 + 𝐺𝑎𝐻𝑎,𝑔 = 𝐹𝑘𝑘𝐻𝑘,ç + 𝐺𝑎𝐻𝑎,ç + 𝑄𝑘𝑎𝑦𝚤𝑝

Ürünün giriş ve çıkıştaki entalpi değerleri:

𝐻𝑘,𝑔=(cp,k+Wg c1) Tk,g

𝐻𝑘,ç=(cp,k+Wç c1) Tk,ç

Havanın giriş ve çıkıştaki entalpi değerleri:

𝐻𝑎,𝑔=(cp,a+Wg c1) Ta,g+𝜔𝑔 λ

𝐻𝑎,ç=(cp,a+Wç c1) Ta,ç+𝜔ç λ

Ayrıca denklemdeki Qkayıp, ısı kayıplarını ifade etmektedir.

Örnek-Sürekli Kurutucuda Kurutma

Wet particulate solids (6000 kg/h) with aninitial moisture content of 20% (db) at 20 °Care to be dried to final moisture content of4% (db). Inlet air at 125 ° C with humidity of0.005 kg/kg is used. Bed depth is 20 cm.Under these conditions, bed density is 500kg/m3 and equilibrium moisture content iszero. Specific heat of the dry solids andliquid water are 1.0 and 4.2 kJ/kg °C,respect ively. Heat loss at the wall of thedryer is estimated as 5% of the heatcontent 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

Kurutucu gaz kütlesi:

A=11,11 m2 (yatak alanı)

Akışkan yatağa giren ürünün kuru kütlesi:Toplam su kütlesi dengesi:

Kurutucu çıkışındaki hava sıcaklığını bulmak içinEnerji dengesi:

Örnek-Sürekli Kurutucuda Kurutma

Giriş ve çıkışta ürünün entalpi değerleri:

Giriş ve çıkışta havanın entalpi değerleri:

Değerler yerine konulur ve çıkıştaki hava sıcaklığı: