Hendrik Enberg 33370 Seminariearbete i Apparatteknik II 12.12.2012 Torkning
Inledning Torkning är kanske den äldsta, vanligaste och mest mångsidiga av processtekniska enhetsoperationer. Torkning är en massöverförings process där vatten eller en annan vätska tas bort genom avdunstning. Detta kan ske i luftatmosfär, i kvävgasatmosfär, i rökgaser eller i överhettad ånga. Största delen av material I fastform behöver torkning I något skede av tillverknings processen. Torkning av olika råvaror behövs för en eller flera av följande skäl: konservering och lagring, minska kostnaderna för transport, uppnå önskad kvalitet på produkten, etc. I många processer kan felaktig torkning leda till skada på produktens kvalitet. Förutom matprodukter kräver även olika trädprodukter, papper och olika pulver mycket torkning. I de flesta fall används en gas ström, oftast varm luft, som med hjälp av konvektion för bort vattnet som avdunstar. Vanliga former av torkning som används är bl.a lufttorkning, soltorkning, frystorkning, spraytorkning, fluidbed-torkning/kylning, valstorkning, flash- och ringtorkning.(1)(4) Nickelmalm produceras i stora volymer, ungefär 20-75 t/h, genom att använda olika former av torkning som t.ex flashtorkning, rotations torkning och spraytorkning. Då produktionen är av denna skala är det väldigt viktigt att använda rätt torkningsmetod för att spara tid och pengar men att även slutresultatet är bra. Att välja rätt metod för torkning kompliceras eftersom 400 olika torknings metoder finns i teknisk litteratur och ungefär 50 av dessa är i funktion runt om i processteknikens värld idag.(1) Avdunstning Avdunstning sker om vattenångans partialtryck i gränsskiktet närmast materialet är högre än partialtrycket i torkluften. Massöverföringsekvationen: d m v d A = β * ( p p å ) Värmeöverföringsekvationen vid konvektion: d Q k o n v =α*( θ θ ) d A För vattenånga i luft fås: d m v d A = β * p t ot ( x x+0.622 x x+0.622 )
(6) Spraytorkning Torkar direkt från vätska till fririnnande pulverprodukt genom finfördelning i hetluft. Materialet som skall torkas är atomiserat i ett munstycke. Het luft körs upp genom munstycket som förmedlar och torkar dropparna. Vätska förångas snabbt från droppens yta och porösa partiklar bildas. De främsta fördelarna med spraytorkning är den korta kontakttiden, vilket gör den lämplig för torkning värmekänsliga material och effektiv styrning av produktegenskaper så som volymvikt, storlek och struktur.(2)(3)(5) Fluidbed-torkning/kylning Den torkande gasen passerar genom bädden av fast material med en hastighet som är tillräcklig för att hålla bädden i ett fluidiserat tillstånd. Detta är effektivt då man vill uppnå hög värmeöverföring och torknings hastighet. Andra positiva egenskaper hos processen är styrning av slutproduktens struktur och egenskaper samt effektiv tömning av torkbädden vid produktbyte. Negativa sidor med denna metod är en hög energi konsumption.(2)(3)(5)
Flash- och ringtorkar Flash-torkar kan användas för att torka värmekänsliga material på grund av den korta exponeringen med torkmediet. Det våta fodret dispergeras mekaniskt i en het gasström (vanligen luft, förbränning gaser) och transporteras under tillräckligt lång tid för att medge torkning av partiklarna. De flesta torktumlare är adiabatiska och använder ett blixtrör, I vissa fall, kan röret divergerar och konvergerar och kan ha plötsliga expansioner och kontraktioner. Röret kan värmas genom väggen för att hålla upp temperatur drivkraften eftersom gasen förlorar sin energi till partiklarna i form av ångbildningsvärme. Positiva egenskaper hos denna metod är kort uppehållstid, homogen och noggrann torrhalt, inbyggd malning/finfördelning/mixning och den har stor kapacitet. Flashtorkar är lämpliga att använda som den första av två torkar i ett system, eftersom flash-torkar endast torkar ytfukten effektivt.(2)(3)(5)
Ångtork Torkning i överhettade produktångor med indirekt värmeöverföring och pneumatisk transport av produkten. Denna process är att slutet system som har en kort uppehållningstid, inga utsläpp till atmosfären samt inga luktproblem förkommer. Andra positiva sidor med denna tork är att den har hög energiåtervinningsgrad och ingen direkt brandrisk finns i torken.(2)(3) Vakuumtorkar Levereras som separat enhet med avskiljningsfilter eller komplett med vakuumkälla, kondensor, värmeoch kylsystem. Vakuumtorkar är passliga för torkning av granulära fasta ämnen De är dyrare än atmosfärstryck torktumlare men är lämpade för värmekänsliga material eller när återvinning av lösningsmedel krävs och då det finns risk för brand och / eller explosion. Figurerna 5 och 6 visar två vakuum torktumlare kommersiellt tillgängliga. Paddel torkar är lämpade för slam liknande material, medan vakuum bandtorkningsanordning är bra för tunna pastor eller uppslamningar. Materialet bildar en film över det uppvärmda bandet, det kan koka och bilda en mycket skummande, porös struktur med mycket låg skrymdensitet.(2)(3) Fig. 5
Fig. 6 Valstorkar och paddeltorkar/kylare I valstorken på förs flytande produkt på valsar och skrapas av som film, dom finns i enkel- eller dubbelvalsutförande. Valsarna värms upp indirekt med ånga. Den korta uppehållstiden för produkten är positivt. Paddeltorken används då produkten är pulver, granulat eller pastös. I paddeltorken torkas produkten i ett uppvärmt tråg med heta paddlar. Den består av en torkzon och en kylzon. Denna tork har en väldigt effektiv värmeöverföring och har skonsam omblandning. (2)(3) dubbel-valstork
Frystork Högt värmekänsliga fasta produkter som till exempel vissa biotekniska material, läkemedel och livsmedel med väldigt hög koncentration av smak kan vara frystorkade till en kostnad som är mycket högre än den för spraytorkning. Här sker torkning under trippelpunkten hos vätskan genom sublimering av den frusna fukten till ånga, som sedan avlägsnas från torkningskammaren med mekaniska vakuumpumpar. Generellt ger frystorkning högst kvalitet av alla torknings tekniker. Dn porösa, icke-krympta strukturen hos produkten tillåter snabb rehydrering. Smak retentionen är också hög på grund av den låga temperaturen (-40o C). Levande celler, t.ex. bakterier, jäst och virus kan vara frystorkade och livskraft på rekonstituering kan fortfarande vara hög. Däggdjursceller, kan inte bevaras genom frystorkning. Frystorkning är i allmänhet inte vanlig i den kemiska industrin p.g.a den låga kapaciteten. (2)(3)
Tunneltork Tunnel torken är väldigt simpel, där vagnar som innehåller material som torkas transporteras vid en lämplig hastighet genom en isolerad lång kammare (eller tunneln) medan het gas bringas att flyta i samtidig, motströms. Den varma luften möter det våta materialet och kan torka materialet med en hög hastighet utan att produktens temperatur stiger mycket. Då materialet som skall torkas inte är värmekänsligt och låg kvarvarande fukthalt är ett krav, kan man med fördel använda högre gastemperaturer. Torktider som kan hanteras varierar från 30 minuter till 6 timmar. (2)(3)
Tunneltork Band Torkar Band torken klarar torkning av material med en tjocklek från 30-100 mm. Torkningen sker genom att varm luft matas in uppifrån eller nerifrån på materialet som roterar på ett band. Den varma luften har en relativt låg strömningshastighet vilket innebär att denna metod inte är lämpad för väldigt våta material. P.g.a möjligheten att torka material med mycket varierande storlek såväl som känsliga materiel är band torken mycket använd. Då dessa anläggningar ofta är stora är det viktigt att materialet och luftströmmen är jämt fördelade för att garantera jämn torkning hos materialet. (2)(3)
Enkel band tork Infraröd, mikrovågs och radio frekvens torkning Tillämpningarna av dessa metoder blir allt fler inom industrin där man vill snabba upp värme och torkprocesser. Infraröda torkar fungerar med gaseldade keramiska element eller elektriskt uppvärmda paneler. IR våglängdsområdet är från 0,1 um till 100 um, vilket genererar värme i den exponerade fysiska kroppen. Traditionell konvektion kan ge ett värmeflöden i storleksordningen 1-2 kw m-2, strålning ger mycket högre nivåer av värmeflöde, dvs 4-25 kw m-2, beroende på elementets egenskaper. torkning av bestruket papper, booster torkning av papper i pappersmaskiner IR torkarnas andra fördelar är kompakthet, enkelhet, lokal styrning, låga utrustningskostnader, energibesparingar och bättre produktkvalitet. Negativa sidor är att det höga värmeflödet kan bränna produkten och öka brand och explosionsrisker. (2)(3) Slutsatser Torknings metoderna som tagits upp i denna uppsats är endast de mest allmänna inom torkningstekniken, men detta ger en bra bild av de många olika torkarna samt dess tillämpningar. Varje tork har både positiva och negativa sidor. Kännedom av materialet, mängden och slutresultatet är viktiga faktorer då torkningsmetoden skall väljas, eftersom en torkningsanläggning i allmänhet är i bruk 25-40 år. Under denna tid kan kostnader och produktivitet ha stora väldiga skillnader beroende på torkningsmetoden.
Källor: (1) Handbook of Industrial Drying / Edition 3, Arun S. Mujumdar, s. 23-25 (2) Handbook of Industrial Drying / Edition 3, Arun S. Mujumdar, s. 38-61 (3) www.christianberner.se/$-1/file/torkteknik.pdf (4) Coulson and Richardson s Chemical Engineering, vol 6. s. 424-425 (5) Coulson and Richardson s Chemical Engineering, vol 6. s. 426-431
(6) Indunstnings- och torkningsteknik, kompendie, Åbo Akademi, s. 46-47