Kurutma

4.1.2.1. Damlacık-sıcak hava etkileşimi

Atomize edilen damlacığın ve sıcak havanın püskürtme kurutma içerisindeki hareket yönü baz alındığında 3 etkileşim tipi olduğu bilinmektedir. Bunlar: Eş yönlü akım, karşıt akım ve karışık akımdır. Şekil 4.7.’de damlacık-sıcak hava etkileşiminin şematik gösterimi verilmektedir [139].

56

Eş yönlü akımda, damlacıklar ve hava kurutma haznesinin içerisinden aynı yönde geçer. Karşıt akımda, damlacıklar ve hava, kurutma haznesi içerisinde zıt yönlü olarak hareket eder. Karışık akım ise eş yönlü ve karşıt akımın kombinasyonudur. Damlacıklar haznenin alt tarafından beslenerek, haznenin üst tarafına doğru, yerçekimini yendiği sürece hareket ederler, daha sonra da aşağıya doğru hareket ederler [130,139,141].

Eş yönlü akımlı hazneler ısı hassasiyeti yüksek ürünlerin kurutulması için uygundur ve bu tip hazneler dünyada en çok kullanılan tiptir. Eş yönlü akımlı kurutucuda, kurutma havası girişi ve atomizer, kurutma haznesinin üst tarafına yerleştirilmektedir. Kurutulan tozlar, kurutma haznesinin altında bulunan bir kapta toplanır. Damlacıkların maksimum neme sahip olduğu ve ıslak termometre sıcaklığında olduğu zaman sıcak hava ile karşılaşırlar. Damlacıklar ve hava kurutma haznesinin alt tarafına doğru beraber ilerler ve çamur aynı zamanda nemini kaybeder. Kurutma gazı, ısısının büyük çoğunluğunu kurutucunun üst kısmında damlacıklardan buharlaşma olurken yitirir. Bu tip dizayn, beslenen sıvının en yüksek sıcaklığa maruz kalmasına sebep olmaktadır. Kurutma gazının termal enerjisi uçucunun buharlaşmasında kullanıldığı için, ürün asgari derecede ısıtılır [134,136,139].

Karşıt akımlı hazneler, deterjan ve seramikler gibi termal olarak stabil olan ürünlerin kurutulmasında kullanılmaktadır. Atomize edilen damlacıklar, belirli bir yol alan ve ısısının önemli bir bölümünü kaybeden hava akımı ile karşılaşır. Damlacıklar, en çok uçucuyu bünyesinde bulundurduğu anda en soğuk havaya çarpar ve damlacıkların kurutulması en yüksek sıcaklıkta biter. Ürünün son sıcaklığı, havanın egzoz sıcaklığından yüksektir. Damlacıktaki su, damlacığı kurutma boyunca koruduğu için, bu yöntem çok faydalı değildir ve sınırlı sayıda malzeme bu yöntemle kurutulmaktadır. Bu yöntemle üretilen tozlar poroz ve büyük boyutludur. Bu yöntemle kurutulan parçacıkların aglomerasyonu çok yaygındır [134,136,142].

Isıl stabil ürünler için en ekonomik dizayn karışık akımlı kurutuculardır. Bu tip kurutucular kaba ve kendinden akan tozların kurutulmasında kullanılmaktadır. Karışık akımlı kurutucuda nozul, kurutucu haznesinin alt tarafına yerleştirilirken; hava üst

taraftan kurutucuya girmektedir. Damlacıklar ilk önce yukarı yönde daha sonra da aşağıya doğru hareket ederler. Beslenen sıvı ilk olarak en soğuk kurutma gazı ile karşılaşır ve kademe kademe kurutma haznesinin üst bölgesindeki en sıcak bölgesine doğru ilerler ve böylece ani kurutma miktarı azalarak daha yoğun tozlar üretilir. Bu tip kurutucularda parçacıkların kurutma haznesi içerisindeki yörüngesi, diğer sistemlerdeki yörüngesinin yaklaşık iki katıdır. Bu dizayn daha fazla kurutma süresi sağlarken, kurutma haznesinin yükseklik ihtiyacını ise azaltmaktadır. Damlacıklar kurutma haznesinin içerisinde uzun bir rotaya sahip oldukları için karışık akımlı hazneler kaba parçacıkların küçük bir hazne içerisinde kurutulması için uygundur. Bu tip kurutucuların dezavantajı ise kurutulan ürünün sıcaklığının yüksek olmasıdır [130,136,139,148,149].

4.1.2.2. Nemin buharlaşması ve damlacığın kuruması

Şekil 4.8.’de bir damlacığın, püskürtme kurutma içerisindeki sıcaklık değişimi ve kuruma aşamaları gösterilmektedir [132,149,150].

Şekil 4.8. Bir damlacığın püskürtme kurutma boyunca merkez sıcaklığının değişimi [132,149,150].

Damlacık çabucak ıslak termometre sıcaklığına ısıtılır (A-B) ve bu sıcaklıkta belirli bir süre kalır (kurutma sabit bir hızda devam ederken damlacık yüzeyi nemle doygun kalmaktadır (B-C)). Azalan hız dönemi veya ikinci kurutma periyodu, nemin doygunluğu koruyacak derecede yüzeye sağlanamadığında başlar (C-D). Bu iki rejim arasındaki geçiş kritik nem miktarında meydana gelir ve kabuk oluşumunun başlamasıyla rastlaşabilmektedir. Damlacık etrafında kuru kabuk oluştuktan sonra buharlaşma, nemin difüzyon hızına bağlıdır. Kuru kabuğun kalınlığı zamanla artar ve

58

buharlaşma hızı azalır. Eğer damlacık sıcaklığı nemin kaynama noktasına ulaşırsa buharlaşma başlar. Buharlaşma için çok yüksek enerji gereklidir ve bu yüzden damlacığın ölçülebilen ısısı sabit kalır (D-E). Bu aşama şişme (puffing) rejimi olarak adlandırılır ve bu süreçte kurutma hızı, parçacığa harici ısı transferiyle kontrol edilir. Tüm serbest nem damlacıktan uzaklaştığında, sıcaklık, gaz sıcaklığına ulaşıncaya kadar artar (E-F) [132,149,150].

Kurutmanın sabit hızlı periyodunda, damlacık yüzeyindeki buharlaşmaya maruz kalan parçacıklar, damlacığın içerisine hareket etme eğilimindedir veya sıvı, damlacığın içerisinden yayılma eğilimindedir. Bunun sonucu olarak sıvı, damlacığın içerisinden yüzeye doğru hareket eder ve damlacık büzülür. Sabit hızlı periyotta sıvı, yüzey doygunluğunu koruyabilmek için damlacık içerisinden hızlıca akar. Damlacığın büzülme hacmi, buharlaşan sıvının hacmine eşittir ve damlacık içerisindeki parçacıklar birbirine yaklaşır. Sonunda, kabuk oluşturmak için yüzeydeki parçacıklar birbirleriyle temas ederler. Kuru kabuk oluşumu, sabit hızlı periyodun sonudur ve büzülme durur. Bu noktadan sonra granül boyutu ve şekli değişmemektedir [151].

4.1.2.3. Parçacık oluşumu ve morfolojileri

Üretilen granülün morfolojisi, püskürtme kurutma proses şartlarına (damlacık boyutu, katı konsantrasyonu, viskozite ve sıcaklık) bağlı olarak değişebilir [151]. Şekil 4.9.’da püskürtme kurutulan farklı morfolojideki parçacıkların oluşum mekanizmaları gösterilmektedir. Kabuk oluşumunun ardından iki esas yol mevcuttur. Kuru kabuk yoluyla büzülen çekirdekle katı parçacık üretilebilir. Tam tersine, yaş kabuk yoluyla üretilen parçacıklar delikli olma eğilimindedir. Kurutulan parçacığın morfolojisi, oluşan kabuğun doğasına bağlıdır [132].

Püskürtme kurutma prosesi süresince sıvı, damlacığın içerisinden dışarısına doğru hareket eder. Damlacık içerisindeki buharlaşma hızı, damlacık yüzeyindeki difüzyon hızından yüksek olduğunda, damlacık içerisinde bir boşluk oluşur. Damlacık içerisindeki basınç bir limite ulaştığında patlama kaçınılmaz hale gelir [129]. Böylece delikli (hollow) parçacık üretilmiş olur.

Şekil 4.9. Püskürtme kurutulan farklı morfolojideki tozların oluşum mekanizmaları [132].

4.1.2.4. Ürünün ayrılması ve sınıflandırılması

Tablo 4.1.’de toz toplayıcılar hakkında birkaç temel bilgi verilmektedir [138]. Kurutulan ürünün nemli havadan ayrılması siklon, çanta filtre, ıslak sürtücü ve elektrostatik çöktürücüyle ayrılmaktadır [141].

Tablo 4.1. Parçacık toplayıcıların özellikleri [138]. Toplayıcı tipi Toplanan parçacık

boyutu (µm) Toplama verimi (%) Ekipman maliyeti Kullanım maliyeti Yerçekimi çöktürücü >100 40-50 Düşük Düşük

Filtreleme <2 90-99 Orta-Yüksek Orta-yüksek

Islak sürtme >1 80-95 Orta Yüksek

Siklon >5 85-95 Orta Orta

Elektrostatik çöktürücü <10 90-99 Yüksek Düşük-orta

Ürünün sıcak havadan ayrılması için iki sistem mevcuttur. Birincisi, kurutulan ürünlerin, kurutucunun alt tarafından ayrılmasıdır. Yer çekimi sebebiyle ağır parçacıklar kurutma haznesinin altındaki toplama kabında birikirken hafif parçacıklar havayla sürüklenerek ayrılma ekipmanında (siklon veya kuru toplayıcılar) toplanır. İkincisi ise kurutulan tüm ürünün ayrılma ekipmanında toplanmasıdır [142,149].

60

4.2. Püskürtme Kurutma Parametrelerinin Ürün Özellikleri Üzerine Etkisi