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" Procède et équipement pour la concentration de liquides contenant des matières solides et pour l'obtention de matières solides sous forme de poudre ".
Les liquides contenant des matières solides,tels que les solutions, les émulsions, les suspensions, sont traités dans des appareils de séchage dans lesquels le liquide contenu dans le produit brut est vaporisé en totalité ou en partie, dans le but de les concentrer ou de récupérer la matière solide . La vitesse de vapori- sation est proportionnelle à la température qui règne dans l'enceinte où se fait le traitement,à la vitesse de\circulation de la matière transportée à travers cette enceinte et à la surface sur laquelle le produit brut est réparti, généralement par pulvérisation.
On a conçu
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antérieurement des dispositifs de séchage dans lesquels le produit brut finement pulvérisé est rassemblé dans un milieu chauffé et gazeux en déplacement,généralement de l'air chaud= Dans ces dispositifs, la transmission de chaleur s'opère par convection. Mais, comme la capacité calorifique des milieux gazeux est relativement faible et que ces milieux sont de mauvais conducteurs thermiques, la vaporisation des liquides exige de très grandes quantités de gaz et beaucoup de temps.
Afin de réduire la quantité du liquide à vaporiser dans l'en ceinte de pulvérisation et d'abréger, par suite, le séjour du produit à traiter dans cette dernière et pour réduire la quantité d'air nécessaire pour le séchage, la matière à trai ter est soumise à une concentration et à un chauffage préalables. Cependant,même dans ces conditions,le séchage dans l'enceinte de séchage exige encore une demi-minute environ. Dans la fabrication de produits alimentaires en pou- dre notamment, par exemple le lait ou les jus de fruits contenant des vitamines,il est essentiel que le produit traité soit le plus possible préservé d'une action prolongée de la chaleur.
Indépendamment du fait que cette condition n'est pas remplie de façon satisfaisante par les équipements connus, ceux-ci sont extrêmement encombrants et, en dehors du dispositif de pulvérisation proprement dit, exigent encore de nombreux équipements auxiliaires tels que des préchauffeurs, des épaississeurs préparatoires, des sé- cheurs d'achèvement, etc...
Le procédé conforme à l'invention peut être mis en oeuvre dans des équipements notablement simplifiés et la durée de séjour de la matière traitée dans l'enceinte chauf- fée peut être considérablement abrégée, lorsque parmi les facteurs qui influent sur la vitesse de séchage, on accroît, grâce au phénomène dit de leidenfrost, la température dans une mesure relativement élevée et, en même temps, la vitesse de la matière dans l'enceinte chauffée, compte tenu de la
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température utilisée .
Contrairement aux procédés connus, travaillant par convection, la nouveauté essentielle con- siste en ce que le liquide contenu dans la matière brute pulvérisée est vaporisé en totalité ou en partie au moyen de la chaleur radiante et que, à cet effet, la température et la vitesse de circulation sont choisies telles que la matière solide ne puisse pas s'échauffer de façon nuisible, pendant la vaporisation brusque du liquide.
Ainsi, le li- quide sera soumis, en un temps extrêmement court, à une va- porisation explosive, si la matière est projetée par une tuyère à travers la zone chauffée, à une vitesse telle qu'el le ne puisse y séjourner que quelques millièmes de seconde et que l'on travaille, dans la zone chauffée, avec un ra- diateur thermique à plusieurs centaines de degrés, tandis que les particules solides contenues dans le liquide ne peuvent pas être portées à une température excessive.
Le radiateur thermique consiste, de préférence, en un corps chauffé électriquement, (par exemple en un con- ducteur nu du type courant utilisé dans les fours électri- ques) ou en un corps métallique, en céramique, en verre, ou en une paroi revêtue de verre, chauffée au moyen de résistance . Etant donné que l'énergie rayonnée croît comme la quatrième puissance de la température, le liquide d'une particule projetée à travers une telle enceinte peut être vaporisé beaucoup plus rapidement que par le soutirage de la chaleur par convection. L'absorption de chaleur de la pellicule que l'on admet .comme formant une enveloppe autour de la particule solide est assez grande pour que cette dernière ne puisse s'échauffer'de façon no- table.
Il s'en-suit que,dans le procédé décrit,on peut opérer à des températures élevées, notamment au-dessus de 100 , de préférence à des températures de 700 è 800 , sans que le goût ou la coloration des produits alimentai- res soient affectés. Pour atteindre la vitesse élevée ren
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due nécessaire par la haute température employée, on utili- se une pression choisie en conséquence, de préférence de 60 à 300 atmosphères. A cet effet, on peut utiliser avec succès les pompes à injection et les tuyères employées dans les moteurs Diesel à injection de combustible.
Evidem- ment, lors du choix de l'ouverture de la tuyère, de la pression de pulvérisation et de la température,il y a lieu de prendre en considération les propriétés données de la matière à traiter et les propriétés demandées pour le produit final.
On a trouvé que, pour la production d'un produit final en poudre, il est avantageux, contrairement aux procédés connus jusqu'à présent,de pulvériser la matière à traiter de bas en haut et de projeter les particules pulvérisées hors de l'espace qui surmonte la tuyère au moyen d'un courant de même sens de fluide gazeux,par exemple au moyen d'un courant d'air dirigé de bas en haut et de les récupérer en les sé- parant de l'air qui contient de l'humidité. Au contraire, dans le cas de la préparation d'un produit final aggloméré, il est avantageux d'opérer la pulvérisation en sens inver- se, c'est-à-dire de haut en bas. Dans ce cas,l'air est ame- né en contre-courant.
Dans le cas d'une pulvérisation vers le haut, il est avantageux d'intercaler à la suite de l'enceinte de chauf- fage une zone non chauffée et d'amener dans l'enceinte le courant gazeux mentionné ci-dessus,de même sens,de telle façon qu'en se propageant le long de l'enveloppe du cône de pulvérisation, il produise un séchage additionnel,empê- che en même temps le dépôt de la matière sur la paroi et enlève toutes les vapeurs de l'air qui se trouve à la tempe rature du local. Sur le dessin, on a représenté trois mo- des de réalisation de l'équipement approprié à la mise en oeuvre du procédé, ces modes de réalisation étant donnés à titre d'exemple et représentés en coupe.
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L'équipement représenté sur la fig. 1 est particu- lièrement approprié à la préparation de produits sous for- me de poudre,tels que le lait en poudre. Le lait prove- nant da réservoir est pulvérisé en brouillard par la pompe 3 et la tuyère 4 dans l'enceinte conique 6 enveloppée par le corps cylindrique 5. A cet effet, le liquide est refou- lé par la pompe sous une pression de 85-160 atmosphères dans l'ouverture capillaire de la tuyère. La température intérieure du corps 5, avantageusement calorifuge vers l'extérieur est d'environ 700-$00 , la longueur de l'en- ceinte chauffée est de 400 mm. Suivant les calculs, la durée de passage d'une particule de matière dans la zone chauffée est d'environ 6/1000 de seconde.
Au corps 5 est raccordé un autre corps cylindrique 7, non chauffé,de dia- mètre plus grand que le corps 5, de sorte qu'entre les deux corps reste libre une ouverture annulaire 8. Dans le conduit coudé qui se raccorde au corps 7 tourne un ventila teur 11, entraîné par le moteur 10, au moyen duquel l'air à la température du local est aspiré par l'ouverture sui- vant les flèches et refoulé dans un séparateur centrifuge de poussière de type courant,dans lequel la poudre se sépa- re du milieu gazeux. La poudre tombe dans la trémie 13, tandis que l'air humide est évacué par le conduit 14. La poudre qui tombe a la finesse d'une poudre de beauté,est facilement soluble et a une température de 20-30 . Le par- cours d'une particule de matière à partir du pulvérisateur jusqu'à la trémie 13 ne nécessite que quelques secondes.
Dans l'exemple de réalisation donné, le diamètre du corps chauffant est de 400 mm, celui de la conduite de déviation non chauffée de 700 mm, et la longueur de cette dernière est de 1500 mm.
Dans le corps chauffant 5 se produit un effet de cheminée et l'air qui monte par suite de cet effet circule vers le haut à l'intérieur du corps 7, ainsi qu'à l'inté- rieur du cône de pulvérisation, tandis que les vapeurs
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qui prennent naissance sont éliminées par le courant d'air, ce qui exerce une action de dessiccation supplémentaire.
Le mode de réalisation représenté sur la fig. 2 est approprié, en particulier quand on veut obtenir une agglomé- ration du produit. Au moyen de la tuyère 14, la matière li- quide à traiter est pulvérisée à travers l'espace vide du corps chauffant 15, dans l'espace cylindrique 16 qui s'y raccorde . La température du corps chauffant 15 est réglée de telle sorte qu'une partie seulement de liquide est vapo- risée et qu'il se rassemble dans le collecteur 17 un produit de consistance crémeuse. Par suite de l'effet de cheminée, l'air chargé d'humidité circule de bas en haut dans les zones 15, 16.
Au lieu d'opérer avec de l'air aspiré,on peut le faire au moyen d'air refoulé sous pression. Dans ce cas,dans l'é- quipement représenté sur la fig. 3(lequel d'ailleurs est ana logue à celui représenté sur la fig. 1) l'air d'entraîne- ment est ]refoulé dans le canal 17 formant prolongement de l'enveloppe au moyen du ventilateur 19 commandé par le mo- teur 18. Il est avantageux de travailler avec une introduc- tion d'air de direction périphérique. Un avantage de cette disposition réside dans le fait que la poudre ne peut pas se mouiller dans le ventilateur et sur l'arbre de celui-ci, et arrive au séparateur de poussières dans un état parfait de propreté.
Il est avantageux d'établir le corps chauffant 5 de façon que la température de celui-ci croisse de bas en haut et le corps chauffant 15 de façon que la température crois- se de haut en bas. Dans les deux/cas, la température la plus élevée se trouve à l'orifice de sortie. A cet effet,dans les corps chauffants 5 et 15 sont montés plusieurs éléments chauffants de dimensions appropriées,situés à la suite les uns des autres. La tuyère peut être disposée de façon à per- mettre le changement de sa position par rapport au corps
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chauffant.
Les corps chauffants 5, 15, ainsi que les corps 7, 16, peuvent aussi être réalisés sous une forme qui s'écarte de la forme cylindrique, par exemple en forme de cônes.
Grâce au procédé conforme à l'invention,les équipements auxiliaires tels que ceux qu'on utilise dans les procédés connus,pour le préchauffage,l'épaississement préparatoire et autres buts, ne sont pas absolument nécessaires,l'encein- te de chauffage est relativement très petite et, par suite, l'ensemble de l'équipement exige peu de place et donne un bon rendement thermique . De plus, l'équipement peut être réalisé avec des dimensions appropriées au traitement de quantités de matières aussi faibles qu'on le désire.
Dans ce qui précède, on entend par l'expression "matière solide", la teneur en produit sec du liquide brut à traiter.
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"Method and equipment for the concentration of liquids containing solids and for obtaining solids in powder form".
Liquids containing solids, such as solutions, emulsions, suspensions, are treated in drying devices in which the liquid contained in the raw product is vaporized in whole or in part, in order to concentrate or recover the solid matter. The vaporization rate is proportional to the temperature prevailing in the chamber where the treatment is carried out, to the speed of circulation of the material transported through this chamber and to the surface over which the raw product is distributed, generally by spraying.
We designed
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previously drying devices in which the finely pulverized crude product is collected in a heated and moving gaseous medium, generally hot air = In these devices, the heat transmission takes place by convection. However, since the heat capacity of gaseous media is relatively low and these media are poor thermal conductors, the vaporization of liquids requires very large quantities of gas and a great deal of time.
In order to reduce the quantity of liquid to be vaporized in the spray enclosure and consequently to shorten the stay of the product to be treated in the latter and to reduce the quantity of air necessary for drying, the material to be treated. ter is subjected to prior concentration and heating. However, even under these conditions, drying in the drying chamber still requires about half a minute. In the manufacture of powdered food products, in particular, for example milk or fruit juices containing vitamins, it is essential that the processed product is preserved as much as possible from prolonged heat action.
Irrespective of the fact that this condition is not satisfactorily fulfilled by the known equipment, it is extremely bulky and, apart from the spraying device itself, still requires a great deal of auxiliary equipment such as preheaters, preparatory thickeners , completion dryers, etc ...
The process according to the invention can be implemented in significantly simplified equipment and the residence time of the material treated in the heated enclosure can be considerably shortened, when, among the factors which influence the drying speed, thanks to the so-called leidenfrost phenomenon, the temperature is increased to a relatively high extent and, at the same time, the speed of the material in the heated chamber, taking into account the
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temperature used.
Contrary to the known methods, working by convection, the essential novelty consists in that the liquid contained in the pulverized raw material is vaporized in whole or in part by means of radiant heat and that, for this purpose, the temperature and the circulation velocities are chosen such that the solid material cannot be heated in a detrimental manner during the sudden vaporization of the liquid.
Thus, the liquid will be subjected, in an extremely short time, to an explosive vaporization, if the material is projected by a nozzle through the heated zone, at a speed such that it can remain there only a few thousandths of a second and that one works, in the heated zone, with a thermal radiator at several hundred degrees, while the solid particles contained in the liquid cannot be brought to an excessive temperature.
The heat sink preferably consists of an electrically heated body, (for example a bare conductor of the type common used in electric furnaces) or of a body of metal, ceramic, glass, or a wall. glass coated, heated by means of resistance. Since the radiated energy increases as the fourth power of temperature, the liquid of a particle projected through such an enclosure can be vaporized much faster than by withdrawing heat by convection. The heat absorption of the film, which is believed to form an envelope around the solid particle, is great enough that the latter cannot not be heated significantly.
It follows that, in the process described, it is possible to operate at high temperatures, in particular above 100, preferably at temperatures of 700 to 800, without the taste or coloring of the food products. are affected. To achieve high speed ren
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Due to the high temperature required, a pressure selected accordingly, preferably 60 to 300 atmospheres, is used. For this purpose, injection pumps and nozzles employed in diesel fuel injection engines can be used successfully.
Obviously, when choosing the nozzle opening, spray pressure and temperature, consideration should be given to the given properties of the material to be processed and the properties required for the final product.
It has been found that, for the production of a final powdered product, it is advantageous, unlike the heretofore known methods, to spray the material to be treated from the bottom up and to project the sprayed particles out of the space. which surmounts the nozzle by means of a flow of gaseous fluid in the same direction, for example by means of a flow of air directed from the bottom upwards and to recover them by separating them from the air which contains l 'humidity. On the contrary, in the case of the preparation of an agglomerated final product, it is advantageous to carry out the spraying in the reverse direction, that is to say from top to bottom. In this case, the air is brought in against the current.
In the case of upward spraying, it is advantageous to insert an unheated zone after the heating chamber and to bring the gas stream mentioned above into the chamber, likewise. sense, in such a way that by propagating along the envelope of the spray cone it produces additional drying, at the same time prevents the deposition of the material on the wall and removes all vapors from the air which is at the temperature of the room. In the drawing, three embodiments of the equipment suitable for implementing the method have been shown, these embodiments being given by way of example and shown in section.
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The equipment shown in fig. 1 is particularly suitable for the preparation of products in powder form, such as powdered milk. The milk coming from the tank is sprayed as a mist by the pump 3 and the nozzle 4 into the conical chamber 6 surrounded by the cylindrical body 5. For this purpose, the liquid is delivered by the pump under a pressure of 85 -160 atmospheres in the capillary opening of the nozzle. The internal temperature of the body 5, advantageously heat-insulating towards the outside, is about 700- $ 00, the length of the heated enclosure is 400 mm. According to calculations, the passage time of a particle of matter in the heated zone is approximately 6/1000 of a second.
To the body 5 is connected another cylindrical body 7, unheated, with a diameter larger than the body 5, so that between the two bodies remains free an annular opening 8. In the bent duct which connects to the body 7 rotates a fan 11, driven by the motor 10, by means of which the air at room temperature is sucked in through the opening following the arrows and discharged into a centrifugal dust separator of the usual type, in which the powder separates from the gaseous medium. The powder falls into the hopper 13, while the moist air is discharged through the conduit 14. The powder which falls to the fineness of a beauty powder, is easily soluble and has a temperature of 20-30. It takes only a few seconds to travel a particle of material from the sprayer to the hopper 13.
In the exemplary embodiment given, the diameter of the heating body is 400 mm, that of the unheated bypass pipe is 700 mm, and the length of the latter is 1500 mm.
In the heating body 5 there is a chimney effect and the air which rises as a result of this effect circulates upwards inside the body 7, as well as inside the spray cone, while vapors
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which originate are removed by the air current, which exerts an additional drying action.
The embodiment shown in FIG. 2 is suitable, particularly when it is desired to obtain an agglomeration of the product. By means of the nozzle 14, the liquid material to be treated is sprayed through the empty space of the heating body 15 into the cylindrical space 16 which connects thereto. The temperature of the heater 15 is controlled so that only part of the liquid is vaporized and a product of creamy consistency collects in the collector 17. As a result of the stack effect, moisture laden air circulates from the bottom to the top in zones 15, 16.
Instead of operating with sucked air, it can be done with pressurized discharged air. In this case, in the equipment shown in FIG. 3 (which moreover is similar to that shown in FIG. 1) the drive air is] discharged into the channel 17 forming an extension of the casing by means of the fan 19 controlled by the motor. 18. It is advantageous to work with an air inlet in a peripheral direction. An advantage of this arrangement lies in the fact that the powder cannot get wet in the fan and on the shaft thereof, and arrives at the dust separator in a perfect state of cleanliness.
It is advantageous to set up the heating body 5 so that the temperature thereof increases from bottom to top and the heating body 15 so that the temperature increases from top to bottom. In both cases, the higher temperature is at the outlet. To this end, in the heating bodies 5 and 15 are mounted several heating elements of suitable dimensions, located one after the other. The nozzle may be arranged so as to allow its position to be changed relative to the body.
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heated.
The heating bodies 5, 15, as well as the bodies 7, 16, can also be produced in a shape which deviates from the cylindrical shape, for example in the form of cones.
Thanks to the process according to the invention, auxiliary equipment such as those used in the known processes, for preheating, preparatory thickening and other purposes, are not absolutely necessary, the heating chamber is relatively very small and therefore all the equipment requires little space and gives good thermal efficiency. In addition, the equipment can be made with dimensions suitable for processing as small amounts of material as desired.
In the foregoing, the expression “solid matter” is understood to mean the dry product content of the crude liquid to be treated.