Aplicação e Desenvolvimento de Equipamentos de Spray Drying na Produção de Laticínios

Na produção leiteira do meu país, o leite em pó representa aproximadamente 80% da produção total devido à sua facilidade de armazenamento e transporte. O processo de secagem é uma das etapas mais importantes na produção de leite em pó; a quantidade de água evaporada apenas durante a secagem é quase equivalente à qualidade do leite em pó produzido. Geralmente, o processo de produção determina o equipamento de produção e o sistema de controle, mas a aplicação de equipamentos avançados e sistemas de controle também pode alterar o processo de produção. A aplicação de equipamento de secagem por pulverização na produção de leite em pó é um exemplo típico.

O processo de secagem por pulverização envolve o bombeamento do material para um secador por pulverização, onde um atomizador o dispersa em pequenas gotas. O ar aquecido é então introduzido na câmara de secagem para misturar e entrar em contato com as gotículas do material. Após a secagem, o produto seco é separado e armazenado ou utilizado diretamente. O leite em pó produzido por secagem por pulverização é um produto em pó uniforme, eliminando a necessidade de processos adicionais de secagem, resfriamento e pulverização. Ele pode ser embalado diretamente como um produto acabado, permitindo uma produção mecanizada, contínua e em grande-escala. Além disso, a temperatura superficial mais baixa do material melhora a qualidade do produto leite em pó. Portanto, os equipamentos de secagem por pulverização desempenham um papel significativo na produção de leite em pó, e há uma tendência de secagem de produtos com teor de umidade cada vez mais elevado. No entanto, a secagem por pulverização é um processo que consome muita-energia-. Devido aos elevados requisitos de qualidade após a secagem e à necessidade de flutuações mínimas no teor de umidade, é essencial um controle rigoroso dos parâmetros operacionais, como a temperatura de secagem. Portanto, a seleção correta do equipamento de secagem por atomização e o projeto racional do seu sistema de operação e controle são cruciais para garantir a qualidade do produto e a conservação de energia. Isto não apenas contribui para o progresso tecnológico e o desenvolvimento da indústria de laticínios do meu país, mas também impulsiona o progresso tecnológico e o desenvolvimento em outras indústrias, dando uma contribuição maior para a decolagem econômica-do país.

1. Desenvolvimento de equipamentos de secagem por pulverização na produção da indústria de laticínios

O equipamento de secagem por pulverização foi utilizado pela primeira vez na indústria de leite em pó em 1901, mas a sua aplicação prática na produção de leite em pó só começou na década de 1920, e só no final da década de 1940 é que começou a ser utilizado no meu país. A estrutura mais antiga era do tipo caixa de pressão (horizontal), com atomização do material pelo método de dois-fluidos, resultando em alto consumo de energia. Em 1958, o Ministério da Indústria Leve promoveu a secagem por pulverização sob pressão em pequena escala-alimentada por animais-para a produção de leite em pó na província de Heilongjiang. Em 1955, a Harbin Songhua River Dairy Factory usou pela primeira vez a secagem centrífuga por pulverização para produzir leite em pó. Na época, esses dois tipos de equipamento de secagem por pulverização tinham estruturas de fundo-plano e a produção de pó era intermitente, exigindo saída manual uma vez por turno.

Em meados da{1}}década de 1960, uma estrutura de fundo cônico com um dispositivo espiral de saída de pó (trado) apareceu no equipamento de secagem por pressão tipo caixa-. O primeiro secador por pulverização vertical com vários-bicos de pressão foi desenvolvido no início da década de 1970. Seu surgimento reduziu quase pela metade o volume efetivo dos secadores por spray e eliminou a necessidade de trado, permitindo a produção contínua de pó. Na década de 1980, foi produzido um secador por spray de pressão vertical com bico único. A sua aplicação na indústria do leite em pó foi um factor chave na promoção do progresso tecnológico na indústria do leite em pó do meu país, estabelecendo as bases para o seu rápido desenvolvimento.

2. Características do equipamento de secagem por pulverização

O equipamento de secagem por pulverização geralmente vem em três tipos: pressão, centrífuga e fluxo de ar. Os secadores por spray de pressão oferecem alta intensidade de secagem, tamanho menor, menor investimento em equipamentos e engenharia civil, partículas de produto menores e maior densidade aparente. Para leite em pó com densidade aparente de aproximadamente 0,165, o tempo de secagem é particularmente curto, apenas 10-30 segundos, tornando-o adequado para a produção de materiais-sensíveis ao calor. Portanto, no leite em pó e em outras indústrias, muitos secadores por pulverização centrífugos foram convertidos em secadores por pulverização sob pressão. Os secadores por spray de pressão também consomem menos energia. Os secadores por pulverização centrífugos geralmente têm um diâmetro maior e uma altura menor, resultando em menor intensidade de secagem em comparação com os secadores por pulverização sob pressão. Eles produzem tamanhos de partículas maiores e são adaptáveis ​​a uma ampla gama de materiais; geralmente, os materiais adequados para secadores por pulverização sob pressão também são adequados para secadores por pulverização centrífugos. Os secadores por spray centrífugos são adequados para materiais com maior viscosidade. A pulverização de fluxo de ar, também conhecida como pulverização de dois{12}}fluidos, utiliza o movimento de alta velocidade do vapor ou ar comprimido (normalmente 200–300 m/s) para criar uma alta velocidade relativa entre o gás e o líquido. O filme líquido é transformado em filamentos e depois se quebra em gotículas finas. O aumento repentino na área de superfície permite rápida troca de calor e massa com o ar quente, vaporizando a umidade e produzindo um material seco em pó. É adequado para uma ampla gama de materiais, mas consome uma grande quantidade de energia. Geralmente, este método é evitado sempre que outros métodos de pulverização possam ser utilizados. Para atomização por fluxo de ar, o material deve ser aquecido a uma temperatura adequada para minimizar a sua viscosidade; portanto, a pulverização por fluxo de ar é adequada para materiais com maior viscosidade.

3. Tendências de desenvolvimento de equipamentos de secagem por spray

Do ponto de vista da produção industrial em grande-escala, da conservação de energia e da redução do consumo, o equipamento de secagem por pulverização deve ser vertical, em grande-escala, contínuo e automatizado. Este tipo de operação é o mais razoável. A operação contínua significa que a pulverização é contínua, ou seja, tanto a alimentação quanto a descarga são contínuas. Em termos de escala, são adotados equipamentos adequados de acordo com os diferentes tipos de produção. Geralmente, na indústria alimentícia, a tendência é para sistemas de grande-escala e com vários{9}}bicos, enquanto na indústria farmacêutica a escala é geralmente menor. Tal como outros equipamentos, a seleção do equipamento de secagem por pulverização e a correspondência dos seus componentes internos devem ser adaptadas aos materiais a serem processados. A intensidade de secagem do equipamento deve ser maximizada, ou seja, a quantidade de umidade seca por unidade de volume por unidade de tempo, minimizando assim o tamanho do equipamento de secagem por pulverização e minimizando o investimento em equipamentos e engenharia civil.

311. Método de distribuição de ar quente

A distribuição de ar quente em equipamentos de secagem por pulverização é um aspecto crucial. O método de introdução de ar quente impacta significativamente o desempenho geral do equipamento de secagem. Um método adequado de introdução de ar quente não só garante uma mistura mais completa e eficaz de gotículas e ar quente, melhorando assim a eficiência da troca de calor, mas também aborda eficazmente a secagem de certos materiais especiais, evitando que o material grude nas paredes e no teto. Os secadores por spray de pressão tradicionais geralmente empregavam uma estrutura reguladora de ar do tipo luva. O ar quente foi regulado através da manga e depois distribuído no cilindro interno do secador por spray. Este tipo de equipamento era relativamente grande. Agora, a distribuição de ar em placas crivadas multi-camadas é mais comumente usada, pois é menor e, portanto, mais amplamente aplicada. Em secadores por spray de pressão operando em fluxo co-corrente, a velocidade do ar quente que entra no duto é de aproximadamente 9 m/s. Em secadores por spray de contra-corrente ou-de exaustão superior, a velocidade do ar que entra no duto deve ser apropriadamente maior. Os secadores por spray centrífugos geralmente empregam distribuidores de ar quente. O ar quente entra no corpo principal do secador por spray através de um distribuidor de ar em voluta e uma placa guia, com o ar quente girando na mesma direção que o atomizador centrífugo. As principais funções do distribuidor de ar quente nos pulverizadores centrífugos são três: introduzir o meio de secagem (ar quente) na torre de secagem para que entre em contato com o material a ser seco, completando a tarefa de secagem; selecionar uma estrutura ideal para garantir a mistura completa do meio quente introduzido e do material a ser seco, alcançando alta eficiência de troca de calor; e reduzir ou evitar o fenómeno de determinados materiais aderirem às paredes ou ao topo. Com o desenvolvimento da tecnologia de secagem por pulverização, os distribuidores de ar quente estão em constante aperfeiçoamento.

312. Formulário de exaustão da torre

Em secadores por spray co-correntes, geralmente é usada a exaustão inferior. Nos secadores por spray de pressão, o diâmetro do equipamento é aumentado no topo da seção cônica da torre e quatro dutos de exaustão são dispostos uniformemente na zona anular e depois convergem para um coletor de pó. Alternativamente, quatro filtros de mangas podem ser instalados diretamente na parte superior da zona anular, e então os dutos de exaustão convergem na entrada do exaustor. Atualmente, os secadores por spray de pressão geralmente usam sistemas de exaustão-superiores. O ar quente entra na torre pelo topo e o material também é pulverizado na torre pelo topo. Quatro tubos de exaustão são distribuídos uniformemente ao redor da seção circular da torre, e os gases de exaustão são então coletados e descarregados através de um coletor de pó. Este tipo de secador por spray tem uma temperatura de aquecimento de ar quente relativamente alta, alta intensidade de secagem, um volume de torre menor e menores custos de equipamento e engenharia civil.

Os secadores por pulverização centrífugos normalmente têm seus tubos de exaustão conduzidos para fora da seção cônica da torre e depois para o coletor de pó. Isto maximiza o volume efetivo da torre do secador por pulverização sem afetar a produção normal de pó, minimizando o volume geral.

313. Limpeza de Equipamentos

Os secadores por spray importados geralmente não possuem este dispositivo e, em vez disso, usam métodos de limpeza. Os secadores de spray domésticos geralmente consideram esta questão. As paredes da torre do secador por spray de pressão geralmente são limpas usando um coletor de pó tipo placa suspensa, que é seguro, confiável e fornece limpeza completa. Porém, a seção cônica da torre deverá possuir uma porta de limpeza para limpeza externa. A torre de um secador por spray centrífugo normalmente é limpa usando um varredor de pó tipo push{5}}, que fornece uma limpeza completa. Após a varredura, o varredor de pó pode ser movido para fora da torre através da porta da torre.

A torre de um secador por spray é geralmente equipada com um dispositivo de torre vibratória para evitar que o material seco adira à parede da torre. Isso normalmente usa vários martelos pneumáticos ou elétricos, programados com uma sequência de vibração específica. Os martelos pneumáticos-são melhores que os martelos elétricos, mas requerem ar comprimido.

314. Remoção de poeira do equipamento

Os secadores por spray geralmente usam um processo de remoção de poeira em dois-estágios. O primeiro estágio utiliza separação por ciclone para remoção de poeira e o segundo estágio utiliza um filtro de mangas. Na produção de leite em pó, a tela do filtro de mangas geralmente tem malha 130, enquanto na produção de proteína em pó geralmente é necessária malha 200-240. A remoção de poeira-de estágio único também é usada às vezes na produção de leite em pó. Na produção de proteína de soja e proteína isolada por secagem por pulverização, o ar quente é geralmente enviado de cima para dentro da torre de secagem, e o material também é pulverizado de cima. A descarga de pó e o ar de exaustão entram no coletor de pó-separador de ciclone pela saída de pó. Após o material ser descarregado do separador ciclone, ele é transportado para o silo de pó por um soprador Roots. O gás de exaustão entra em um filtro de mangas para coleta de pó antes de ser descarregado na atmosfera. O pó fino é enviado para o silo de pó junto com o pó descarregado do ciclone. A pressão do ar dos ventiladores de entrada e exaustão em equipamentos de secagem por pulverização usados ​​para produção de proteína em pó é geralmente maior do que a dos ventiladores de entrada e exaustão em equipamentos de secagem por pulverização usados ​​para produção de leite em pó. A correspondência do volume de ar é a mesma do equipamento de secagem por pulverização usado para produção de leite em pó, com o volume de ar do exaustor sendo 30% maior que o volume de ar do ventilador de entrada. Há três razões para isso: Primeiro, o ventilador de entrada sopra ar à temperatura ambiente, enquanto o ventilador de exaustão descarrega ar quente, resultando em uma maior tensão no volume de ar. Em segundo lugar, durante a secagem por pulverização, é utilizado um vácuo de 0,1147 kPa na torre de secagem, o que facilita a descida suave do material e reduz os salpicos. Terceiro, a umidade vaporiza durante a secagem por pulverização, que também ocupa um certo volume.

O pó fino do separador de ciclone e da câmara do filtro de mangas é enviado de volta para a torre por um soprador Roots para aglomeração do pó fino, aumentando o tamanho e a solubilidade das partículas.

As bolsas filtrantes no filtro de mangas geralmente são vibradas usando um método de retrolavagem por pulso, que é mais caro e consome mais ar comprimido. Atualmente, geralmente é empregado um mecanismo de vibração alternativo usando um cilindro, com a vibração interligada com o fechamento da válvula borboleta reguladora de ar. Isso permite a vibração instantânea da bolsa filtrante sem exaustão, resultando em baixo custo e bom desempenho.

315. Descarga de Pó do Equipamento

A descarga de pó do equipamento de secagem por atomização é contínua, conectada a um leito fluidizado vibratório na saída da torre de secagem. Isto permite a secagem secundária do material em pó, seguida pela aplicação de lecitina ou outros aromatizantes. Isto expande a capacidade do equipamento de secagem por pulverização, melhora a qualidade do produto e permite o resfriamento oportuno do material após a secagem secundária, deixando o produto pronto para embalagem direta, reduzindo significativamente o risco de contaminação antes da embalagem.

4. Sistema de controle de processo de secagem

A natureza rápida do processo de secagem por pulverização é crucial para um controle eficaz. Atualmente, a pesquisa sobre a teoria e a prática do controle de secagem, tanto nacional quanto internacionalmente, ainda está em seus estágios iniciais, carecendo de estudos abrangentes e sistemáticos. Com base na análise do processo produtivo, o objetivo da aplicação da tecnologia de controle automatizado no processo de secagem do leite em pó é:

(1) Evitar a instabilidade de operação do equipamento causada pela operação manual intermitente, alcançando assim a produção contínua e estabilizando o processo de operação do sistema multivariável e altamente não linear de secagem por pulverização;

(2) Ao introduzir um sistema de controle automatizado, ao mesmo tempo que garante a qualidade e a produção do produto, minimiza o número de pontos de aquisição de sinal on-line do sistema de controle e reduz a influência desnecessária entre as variáveis;

(3) Economize mão de obra, reduza o tempo de inatividade causado por fatores humanos e encurte o ciclo de trabalho;

(4) Através da predefinição correta dos parâmetros de cada variável do sistema de controle automatizado, permitir que todo o sistema funcione no estado ideal, maximizar a eficiência do próprio equipamento e atingir o objetivo de economia de energia e redução de consumo;

(5) Melhorar a qualidade do produto e minimizar os custos de operação e gerenciamento.

Os principais indicadores para avaliar o sucesso da aplicação do equipamento de secagem sob condições específicas do processo são o rendimento e a qualidade do produto seco, bem como a distribuição do tamanho das partículas, a aparência e o teor de umidade final do produto. A produção do produto é determinada pelo desempenho econômico da carga de produção, pelo calor fornecido pelo gerador de ar quente, pela intensidade de secagem do secador, pela vazão de ar quente e pelo conteúdo de sólidos na lama. Muitos fatores influenciam a qualidade do produto: o tamanho e a aparência das partículas são determinados pelo desempenho do processo do equipamento de secagem e pelos parâmetros de preparação da pasta, enquanto o teor de umidade final está diretamente relacionado à seleção de parâmetros como temperatura de entrada de ar quente, temperatura de saída dos gases de exaustão e pressão negativa dentro da torre de secagem.

O equipamento de secagem por pulverização revolucionou a produção de leite em pó. No entanto, o equipamento de secagem por pulverização não é uma solução universal. Sua estrutura e forma de atomização, estrutura da torre, distribuição de ar, exaustão, revestimento em pó, método de descarga de pó, combinação com outros equipamentos de processo e projeto do sistema de controle automático devem ser adequados para os materiais que estão sendo processados. Só assim, com o desenvolvimento dos tempos e o progresso contínuo da ciência e da tecnologia, os equipamentos de secagem por pulverização poderão adaptar-se a uma gama mais ampla de requisitos de secagem de materiais e dar um contributo cada vez maior para o desenvolvimento e construção da economia nacional.