PT83291B

PT83291B - Secador e processo de secagem

Info

Publication number: PT83291B
Application number: PT83291A
Authority: PT
Original assignee: Nestle Sa
Priority date: 1985-09-03
Filing date: 1986-09-02
Publication date: 1993-03-31
Also published as: PT83291A; IN167637B; IE59586B1; YU44592B; IE862091L; SU1577710A3; DD249412A5; EP0214441B1; KR940008435B1; ES2002732A6; NZ216849A; DK165278C; JPS6257601A; GB2179562A; ATE65929T1; BR8604204A; AU577021B2; AU6012286A; EP0214441A2; GR862243B

Description

Memória descritiva

A presente invenção refere-se aos processos e aparelhos de secagem*

Os materiais em perticuias sao usualmente formados por secagem de uma pulverização. Um líquido é atcmizado para formar gotícolas e as gotícolas sao expostas a um gás seco, tal como ar quente* Os constituintes líquidos das gotícolas evaporam-se, deixando partículas de material seco* Na indústria dos alimentos e das bebidas, este processo é usado para preparar produtos tais como pó de café solúvel, leite seco e substitutos do leite seco.

A secagem de uma pulverização tem tipicamen te sido efectuada pelo contacto do líquido atomizado com ar quenA te, numa camara ou torre grande, que se estende verticalmente* Um secador do tipo de torre que tem capacidade suficiente para um processo industrial pode ter 20 metros de altura e 6 metros de diâmetro* Um tal aparelho de grandes dimensões é de construção cara*

- 1 »

aquecimento cio material na secagem cie uma pulverização tipicamente tem afectado de maneira adversa a qualidade do produto seco» A recirculação do ar no interior cio secador pode provocar a retenção prolongada de partículas secas no interior do secador e portanto pode agravar o dano provocado pelo calor* Sstas dificuldades são particularmente significativas na in dústria dos alimentos e das bebidas, visto que muitos materiais comestíveis incorporam constituintes de sabor susceptíveis de per da ou degradação pelo calor·

A patente americana N°. 3 0J8 533 apresenta *

uma variante do processo de secagem de uma pulverização no qual se descarrega ar de atomização ou “primário” através de um. pulverizador com uma velocidade relativamente elevada· Um líquido que se pretende secar é atomizado, formando partículas diminutas, pelo ar primário quando passa através do pulverizador· As gotícolas diminutas passam para montante no jacto de ar primário que sai do pulverizador e secam rapidamente· jacto de ar primário tende a criar uma zo na de vácuo parcial junto do jacto e portanto tende a provocar a recirculação do ar circundante· Para impedir tal recirculação, a f*# Ápatente propoe dirigir o jacto ao longo do eixo de uma camara tubular e insuflar ar adicional ou secundário” para o interior da A _w camara na mesma direcção que o jacto de modo que o jacto é envolvido pela corrente de ar secundário.

As técnicas de secagem de uma pulverização, tais como sao apresentadas na patente, pareceria que resolveriam algumas das dificuldades encontradas na segagem de uma pulverizaçao convencional, todavia, tais técnicas de secagem de um jacto de uma pulverização trazem inconvenientes que lhe sao próprios. 0 material seco tende a acumular-se na parede da camara tubular· Alem disso, as técnicas de secagem de uma pulverização não se tem

mostrado apropriadas para o processamento de materiais que resistem à atomizaçao em gotícolas muito finas, tais como os extractos de bebidas extremamente concentrados· For conseguinte, ha necessidades importantes de aperfeiçoamento nos processos e aparelhos de secagem de uma pulverização·

SUMÁRIO DA zmaTÇÃO

A presente invenção proporciona tais aperfeiçoamentos·

Hum processo de secagem de uma pulverização segundo a presente invenção, o material líquido a secar é atomiza do e uma corrente do material atomizado é projectada num sentido de jusante· Um gás de secagem é projectado para dentro, no sentido da corrente de material atomizado, num fluxo turbulento, trans versalmente em relaçao à direcção para jusante, de lados opostos da corrente· 0 gás de secagem que flui para dentro é distribuído ao longo do comprimento ou na extensão de montante para jusante da corrente de modo que, quando o material atomizado se desloca para jusante, passa entre fluxos opostos dirigidos para dentro de gás de secagem· 0 material atomizado e o gás são assim agitados continua e vigorosamente quando o material passa para jusante, promovendo assim uma segagem· 0 material atomizado e o gás são assim agitados continua e vigorosamente quando o material passa para jusante, promovendo assim uma secagem rápida.

material pode ser projectado para jusante pela passagem de um gás impulsor atrvés de um pulverizador de modo que o gas impulsor sai do pulverizador como um jacto e arrasta o material no jacto. 0 material pode ser arrastado no gás impulsor a montante do pulverizador e atomizado em gotícolas finais pe.

lo gás impulsor quando o gas e o líquido passam através do pulve aiiaMI

Λί _____________ f·.·

rizador.

Quando se utiliza um jacto de gás impulsor <<

o gas de secagem de preferencia e projectado de modo tal que pe lo menos na parte de montante do seu comprimento, o jacto seja completamente envolvido pelo gás de secagem que flui para dentro· Por conseguinte, o arrasto do gás pelo jacto não pode criar uma zona de vácuo parcial adjacente ao vácuo· A recirculação de gases e de material seco associada com essa zona de vácuo parcial é substancialmente eliminada· Além disso, o gás de secagem que flui para dentro tende a dissipar o jacto, suprimindo ainda mais completamente a recirculação.

_ / A gas de secagem gera assim uma turbulência mas suprime a recirculação· A turbulenciaáifere da recirculação· Tal como é usado nesta descrição, o tempo (digo: o termo) recir culaçao refere-se à acçao de um turbilhão que é estável e mantém -se numa localização substancialmente fixa durante um tempo apre

Z _ A / ciavel· 0 termo turbulência, tal como e usado na presente descrição, refere-se à acção de um turbilhão envolvido no interior de um fluxo de gás circundante maior, de modo que o turbilhão des loca-se com o fluxo maior· Numa base macroscópica, a turbulência não afecta o movimento de material arrastado no gás e não promove a passagem repetida de material através do secador*

Segundo um outro aspecto da presente inven ção, a temperatura do ambiente de secagem em cada ponto ao longo do comprimento ou dimensão montante-justante da corrente pode ser controlada como se desejar· Devido ao facto de o gás de seca gem ser distribuído ao longo do comprimento da corrente e dirigido transversalmente em relação à corrente, o material atomizado esta exposto, em cada ponto ao longo do comprimento da corren te, ao gas a uma temperatura que varia com a temperatura do gás ϊ

de secagem dirigido para esse ponto· Fornecendo gás de secagem a temperaturas diferentes a regiões diferentes da corrente, o mate rial atomizado pode ser exposto a temperaturas diferentes numa sequencia predeterminada à medida que o material passa para jusante· For exemplo, fornecendo gás de secagem reletivamente quen te a uma região a montante e gás reletivamente frio a uma região a jusante, a temperatura na região a jusante pode ser limitada para controlar a temperatura do produto na saida do secador, mas mantendo temperaturas muito altas na região de montante para pro mover a secagem rápida.

A secagem é também promovida pela atomizaçe.o fina do líquido. Porém, os processos segundo a presente invenção ainda proporcionam uma secagem efectiva e rápida com gotícolas maiores que as que são tipicamente usadas nos processos de secagem anteriores por jacto· Por conseguinte, os materiais que sao viscosos ou de outro modo resistentes à atomização muito fina po

A „ dem secar-se eficazmente· Cre-se que a misturaçao melhorada e as tempertauras desejáveis do gás atingidas nas formas preferidas da presente invenção contribuem para este resultado vantajoso.

A presente invenção proporciona também apa relhos secadores aperfeiçoados· 0 aparelho incorpora meios para atomizar o material a secar e projectar uma corrente de material atomizado no sentido de jusante· 0 aparelho inclui igualmente meios para projectar um gás de secagem num fluxo turbulento, no sentido da corrente, a partir de lados opostos do mesmo, transversalmente em relaçao à direcção montante-jusante, de modo que o gás de secagem que flui para dentro é distribuído ao longo do

A comprimento da corrente· De preferencia, os meios de projecçao do gas de secagem estão colocados para proporcionar gás de secagem a temperaturas diferentes ao longo do comprimento da corrente * Os meios de atomizaçao e projecçao podem incluir um pulverizadoí meios para fornecer um gás impulsor ao pulverizador e meios pa-

ra arrastar o material a secar no gás impulsor ganta do pulverizador· montante da gar aparelho segundo a presente invenção pode ser extraordinariamente compacto para uma dada capacidade de secagem· Nas suas formas preferidas, o aparelho pode ter apenas um cehtésimo do volume de um secador de pulverização normal com uma capacidade equivalente·

Outros objectos, características e vantagens da presente invenção serão evidentes na descrição pormenorizada de certas formas de realização adiante apresentadas, feita em ligação com os desenhos anexos·

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A fig. 1 é uma vista esquemática e parcialmente em corte do aparelho segundo a presente invenção·

A fig. 2 é uma vista fragmentada, esquemática e em corte numa escala maior, que mostra uma porção do apare lho ilustrado na fig» 1·

A fig. 5 é uma vista esquemática em corte feito pela linha (3-3) da fig· 1.

A fig. 4 é uma vista esquemática em corte que ilustra uma porção do aparelho segundo uma outra forma de rea Μ¹ M lizaçao da presente invenção·

As fig.s 5 e 6 são vistas fragmentadas, es quemáticas em perspectiva que ilustram o aparelho segundo outras formas de realização ainda do aparelho segundo a presente invenção.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DAS POM DE REALIZAÇÃO

O aparelho segundo uma das formas de realização da presente invenção inclui um conjunto injector (10) mon tado na extremidade de montante de um difusor poroso em forma de casquilho tubular alongado (12). 0 conjunto injector inclui um tubo de gás (14) que possui uma peça de transição (16) cónica (fig· 2) na sua extremidade de jusante· Na extremidade de jusante da peça de transição está montado um injector (1θ)· A superfície interior do injector é uma superfície de revolução em torno do ei xo central (22) do injector, que converge para uma garganta ou parte mais estreita (24) na extremidade de jusante do injector·

Uma caixa (26) está suportada no interior do tubo de gás por meio de parafusos de centragem (27), terminando a caixa a montante do injector· Nm tubo de alimentação (28) está montado na caixa, estendendo-se a extremidade de jusante do tubo de alimentação para o interior do injector e terminando ligeiramente a montante da garganta (24) do injector· Um isolamento térmico envolve o tubo dentro da caixa· Os parafusos de centragem (27) mantém a caixa, e portanto a extremidade de jusante do tubo de alimentação, coaxialmente com o injector· conjunto do injector está montado de modo que o injector (1θ) é coaxial com o casquilho (12) e a extremidade de jusante do injector está alinhada com a extremidade de montante do casquilho· Uma parede de topo (29) estende-se entre o ca3 quilho e a parede do casquilho, tendo a parede topo uma face de jusante (30) plana alinhada com a extremidade de jusante do injec tor·

A parede do casquilho (12) inclui um colar troncoconico a montante (31) adjacente ao conjunto do injector e

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um colar cilíndrico (32) (fig. 1) a jusante, coaxial com o colar de montante· Cada colar é formado por um metal sinterizado poroso e define muitos poros ou aberturas minúsculas distribuídas pe la sua superfície· 0 calor de montante (31) está colocado no inte rior de uma primeira caixa (34) que define um canal anular ou es paço anular (36) que envolve o colar de montante e que fica em frente da sua superfície exterior. 0 colar de jusante (32) está colocado no interior de uma caixa semelhante (38), que define um outro canal anular (40), estando os canais (36) e (40) seperados um do outro por uma parede (41). A extremidade de jusante do colar (3θ) está ligada através de um. tubo de saída (42) a um separador de ciclone (44) convencional.

tubo de alimentação (28) do conjunto do injector está ligado a uma fonte (46) de fornecimento de um líquido a secar, fonte que pode incorporar um depósito de armazena mento convencional, uma bomba e um dispositivo de medição. 0 tubo de gás (14) está ligado a uma fonte (48) para o fornecimento de gás a uma temperatura controlável, a uma pressão pré-seleccio nada, e os canais (36) e (40) estão ligados a fontes de gás (50) e (52) análogas controláveis independentemente, respectivamente· As fontes de gás podem incorporar compressores, reguladores, per mutadores de calor e medidores de caudal convencionais· ^um processo segundo a presente invenção, um gás impulsor fornecido pela fonte (48) através do tubo (14) es coa-se através do injector (18) a uma velocidade elevada. Um líquido que se pretende secar ê forçado pela fonte (46) através do tubo de alimentação (28). Quando o líquido sai da extremidade de jusante do tubo de alimentação, é arrastado pelo gás impulsor que passa através do injector (18) e atomizado quando o gás passe através da garganta (24) do injector de modo que se projecta uma corrente de gotícolas do injector juntamente com o gás impulsor· 0 gás impulsor com as gotícolas arrastadas passa para jusante do

PB»

injector sob a forma de um jacto conico (54) com o seu eixo montante-jusante coincidente com o eixo (22) do injector e portanto coincidente com o eixo longitudinal do difusor ou casquilho (12).

A fonte (50) fornece uma primeira porção de gás de secagem ao canal anular (36). Como o canal (36) oferece pe quena resistência ao escoamento, a pressão no interior do canal é substancialmente uniforme· Por conseguinte, a superfície exterior do colar (31) fica exposta a .uma pressão do gás substancialmente uniforme em torno de toda a sua periferia· A parede do colar (31) tem uma porosidade substancialmente uniforme a toda a sua volta', de modo que o gás de secagem passa através da parede do colar com um caudal por unidade de área substancialmente uniforme em torno da periferia circular do colar· Como os poros da parede do colar sao microscópicos e estão pouco afastados, as correntes de gás que emergem dos poros adjacentes fundem-se umas com as outras a

A Z z distancias microscópicas da superfície interior do colar, antes de o gás de secagem encontrar o jacto· Assim, a região de montante do jacto é envolvida por um fluxo contínuo de gás de secagem que se desloca radialmente para dentro no sentido do eixo do jacto^ partir do exterior da periferia do jacto, como está ilustrado pelas setas na fig· 3· 0 gás de secagem tem também uma velocidade baixa a jusante, paralela ao eixo·

Uma segunda porção do gás de secagem, forne cida pela fonte (52), passa através do canal (40) e através da pa rede do colar de jusante (32), de modo que a zona de jusante do jacto é envolvida por um fluxo contínuo semelhante de gás de secagem· -Junto da união dos dois colares na parede limite (41), o fluxo inclui o gas de secagem fornecido através dos dois colares· gas de secagem passa para jusante com o gás impulsor e as gotícolas· Quando as gotícolas passam para jusante, a humidade nas gotícolas evapora-se, de modo que as gotí-

colas são convertidas em partículas secas antes de atingir o tubo de saída (42). As partículas e os gases passam através do tubo de saida para o separador (44), onde as partículas sao separadas do gás e removidas do sistema· gás de secagem fornecido através da parede do casquilho penetra no interior do jacto e mistura-se com o gás impulsor no jacto· Além disso, o fluxo de gás de secagem no

A sentido do eixo promove a turbulência no jacto e portanto promove a permuta de gases entre a zona central ou núcleo do jacto junto do eixo e a região periférica do jacto, afastada do eixo· Uma tal mistura completa e a adição continua de gas seco mantém os gases em todas as zonas do jacto com a baixa humidade desejada, apesar da contínua transferencia de humidade do material que esta a ser seco e os gases·

A temperatura de cada porção do gas de secagem e a temperatura do gás impulsor podem ser controladas independentemepte· A primeira porção do gas de secagem, fornecido atri vés do colar de montante (31) mistura-se com o gás impulsor e coma o material que está a secar-se na zona de montante, junto do injector, enquanto que a segunda porção do gás de secagem fornecida através do colar de justante (32) se mistura com os outros gases e material na zona de jusante· Assim, o calor introduzido em cada zona do secador, e portanto a configuração das temperaturas do gas a que o material se expõe quando passa jusante, pode ser controla da como se desejar·

Em muitos casos, é preferível expor o material a uma temperatura de gás relativamente elevada na zona de montante e a uma temperatuta relativamente baixa na zona de jusan te· Ua zona de montante, o material tem um teor de humidade relativamente elevado e uma grande quantidade de calor é consumida na transformação da humidade na fase de vapor· Ua zona de jusante', o

material está relativamente seco, de modo que esta disponível menos humidade para evaporação· For conseguinte, é necessário menos calor para a evaporação na zona de jusante· Fornecendo o gas impul sor e o gás de secagem à zona de montante a temperaturas relativa mente elevadas e fornecendo o gás de secagem à zona de jusante a uma temperatura relativamente baixa, a entrada de calor é estreitamente ajustada às necessidades de calor em cada região do secador· Assim, o calor fornecido aos gases é usado eficientemente para èfectuar a evaporação desejada em vez de ser desperdiçado.

Além disso, fornecendo os gases impulsor e de secagem a temperaturas diferentes ao longo do comprimento do jacto pode obter-se uma secagem efectiva sem aumentar a temperatura do material que está a secar-se para além de limites desejáveis· Na zona de .montante, onde o material tem um teor substancial de humidade e quantidades substanciais de calor são consumidas z na evaporaçao, a temperatura das goticolas é substancialmente mais baixa que a temperatura dos gases circundantes· Os gases na zona de montante podem portanto ser mantidos a uma temperatura relativamente elevada para promover a evaporação, sem aumentar in devidamente a temperatura do material a secar· Quando o material passa para jusante e se torna progressivamente mais seco, diminui a taxa de evaporação· Com a transferencia contínua de calor dos gases para o material a secar, a temperatura do material aproxima-se da temperatura dos gases circundantes. A temperatura dos ga ses na região de juâante deve ser limitada para impedir o sobreaquecimento do material· Fornecendo o gás de secagem a temperaturas diferentes ao longo do comprimento da corrente, pode manter~se uma temperatura do gás elevada na zona de montante, ao mesmo tempo que se mantém uma temperatura baixa na zona de jusanèe·

Se a temperatura do gás de secagem fornecido para a zona de jusante for suficientemente baixa, a temperatura dos gases misturados na zona de jusante pode ser mais baixa

- que a temperatura do material a secar· Uesse caso, o calor é transferido do material para os gases· 0 material seco é assim arrefecido na corrente, antes de ser recolhido· A exposição inti ma do material aos gases conseguida pela projecção do gás de secagem transversalmente em relação à direcçao da corrente proporciona um arrefecimento efectivo e rápido· Embora o termo gás de

A# ^A secagem seja, por uma razao de conveniência, usado para designai· Z iii¹ o gas projectado transversalmente em relaçao à corrente, deve en tender-se que uma parte ou todo o gás de secagem utilizado no ar refecimento do material pode contactar com o material depois de este estar já seco. Uma parte ou todo o gás de secagem utilizado para arrefecer pode ser projectado a jusante do ponto ao longo do comprimento da corrente em que o material atinge o seu teor final de humidade·

Quando o material é arrefecido na corrente antes da recolha, fica exposto a temperaturas elevadas apenas du rante o tempo necessário para a secagem» Feio contrário, nos pro cessos convencionais de secagem de uma pulverização, é tipicamen te impraticável arrefecer o material seco antes da recolha· Uos processos convencionais, o material seco tipicamente é recolhido a uma temperatura elevada e portanto é susceptível de degradação térmica depois da recolha.

Uas formas de realização atrás descritas, duas porçoes de gas de secagem a temperaturas diferentes são usa das· Os efeitos desejados obtidos pelo fornecimento do gás de se cagem a temperaturas diferentes em zonas diferentes ao longo do comprimento da corrente podem ser ampliados fornecendo o gás de secagem em mais de duas porções, em mais de duas zonas· For exem pio, podem fornecer-se tresporçoes de gás de secagem a temperatu ras alta, intermédia e baixa»

Fodem usar-se outros padrões de temperatu• ras dos gases» Assim, se o gás impulsor for fornecido a uma tem-

peratura mais baixa que a do gás de secagem projectado na direcção da zona de montante da corrente, a temperatura dos gases mistu rados será baixa imediatamente junto do injector e aumentara progressivamente no sentido de jusante, no interior da zona de montante. Assim, a temperatura do material atomizado será muito baixa durante a porção inicial do processo de secagem· Este efeito pode ser realçado fornecendo o gás de secagem a uma temperatura baixa à maior parte da zona de montante e a uma temperatura mais elevada à zona seguinte. Uma temperatura baixa nas fases iniciais da secagem é util com materiais que sejam particularmente sensíveis ao calor quando húmidos mas que se tornam menos sensíveis *

quando se tornam mais secos· For exemplo, cre-se que os extractos de café e de chá se tornam menos susceptíveis à perda dos aromas voláteis pelo calor quando se tornam mais secos·

Has disposições atrás descritas, o fluxo ou / M escoamento do gas de secagem faz-se simetricamente em relaçao ao eixo do jacto· 0 fluxo interior do gás de secagem a partir de cada porção do difusor ou da parede do casquilho é equilibrado por um fluxo interior igual no sentido oposto, a partir da porção de parede diametralmente oposta· Os fluxos opostos de gás de secagem não desviam o material atomizado do eixo· Porém, como pode apreciar-se melhor na fig· 3, o gás de secagem tende a manter o material atomizado afastado da parede do casquilho· Qualquer gotícola ou partículas que se move para fora no sentido da parede do casquilho encontra o gás que flui para dentro e é desviado novamente para o eixo.

Um jacto de gas tende a arrastar os gases circundantes e portanto tende a criar um vácuo pardial junto da extremidade de montante do jacto· 0 vácuo parcial, por sua vez, tende a fazer com que os gases circundantes fluam para montante para fora do jacto, criando assim a recirculação. 0 gás de secagem que flui para dentro impede tal recirculação.

- 13 tinto

zona central, junto do eixo, e velocidades mais baixas na zona periférica, afastada do eixo· Guando se dissipa o perfil de velo cidades distintas associado com o jacto, a sua solicitação de ar

Λ rastamento ou tendencia para arrastar os gases circundantes dimi

A nui, diminuindo portanto a sua tendencia para provocar a recircu lação· Cre-se que a misturação total gerada pelo gás de secagem

A promove uma transferencia de quantidade de movimento entre a zo na central do jacto e a zona periférica

mesmo

secagem promove assim a dissipação do perfil das velocidades do jacto e portanto reduz a sua solicitação de arrastamento.

Além disso, o gás de secagem que flui para dentro, fornecido através da parede do casquilho, satisfaz a solicitação restante de arrastamento do jacto· 0 caudal do gás de secagem através da parede do casquilho por unidade de comprimento axial junto da extremidade de montante do casquilho desejável mente excede a solicitação de arrastamento do jacto por unidade de comprimento· Assim, há um certo escoamento para jusante do jacto por unidade de comprimento. Se o caudal de gás de secagem por unidade de comprimento axial for menor que a taxa de solicitaçao de arrastamento do jacto, o excesso de gas de secagem que se escoa para jusante pode compensar a deficiência· A situação . * ^z inversa, com uma deficiência de gas de secagem na zona de montan te e um excesso na zona de jusante, & menos desejável· Haveria um escoamento para montante de gás de fora do jacto, que poderia dar origem a recirculação· for outras palavras, o caudal total com que o gas de secagem é projectado para qualquer porção do jacto a montante de um ponto arbitrário ao longo do comprimento do jacto, e portanto o caudal total de gás de secagem através da parede do casquilho a montante desse ponto arbitrário, de preferencia e igual ou maior que a solicitação total de arrastamento para essa porção do jacto.

À

A solicitação actual de arrastamento de um Ay jacto que diminui sob ã influencia do gas de secagem projectado para dentro não é fácil de calcular· entanto, para um jacto cri ado por dado fluxo de gás impulsor através de um injector dado, a solicitação actual de arrastamento será menor que a solicitação de arrastamento do jacto livre correspondente, isto é, um jacto de gás impulsor que tem o mesmo caudal e que sai do mesmo injector para um espaço infinito sem qualquer gas de secagem projecta do para dentro· A solicitação de arrastamento por unidade de com primento E de um tal jacto livre é dado aproximadamente pela fórmula:

onde: Μθ é o caudal de massa do gás impulsor através do injector e

A

D é o diâmetro da garganta do injector·

Tal como é usado nesta descrição, o termo solicitação de arrastamento teórica refere-se à solicitação de arrastamento para o jacto livre calculada de acordo com a fórmula anterior· Sg o fluxo de gás de secagem para dentro for igual ou maior que a solicitação de arrastamento teórica do jacto, então o fluxo do gás de secagem excede a solicitação de arrastamen to actual do jacto· A relaçao desejada pode exprimir-se pela seguinte fórmula:

x = q x = q

Edx Edx x = 0 x = 0

onde : Ε é ο caudal de gás de secagem através da parede do casquj lho por unidade de comprimento axial;

x é a distancia axial para jusante da garganta do injector; e q é um valor arbitrário

A relação anterior entre a solicitação de arrastamento e o fluxo'de gas de secagem de preferencia é mantids

A na zona imediatamente adjacente ao injector, numa distancia axial igual ou maior que 10 vezes o diâmetro do injector; isto é, para qualquer valor de q entre 0 s 10 D. Gomo o jacto diminui apreciavelmente nesta zona, é menos importante manter essa relaçao mais para jusante· Porém, a manutenção da relação especificada

A . A para distancias maiores que 10 diâmetros do injector para jusante, tipicamente até cerca de”30 a 60 vezes o diâmetro do injector, proporciona uma segurança ainda maior contra a recirculação· _ *

Cre-se que nos processos de secagem segundo as formas de realização preferidas da presente invenção vários factores cooperam para suprimir a adesão do material que está a secar as paredes da camara de secagem· A adesao tipicamente resul z 9 ta do impacto do material húmido com a parede da camara; o materi al seco tipicamente nao aderira à parede» A misturação melhorada z e as distribuições desejáveis das temperaturas dos gases segundo a presente invenção promovem a secagem rápida e portanto promovem a secagem do material antes de poder chocar com a parede· A recir culaçao tende a levar o material que esta a secar para fora, no

A sentido da parede da camara e portanto promove os impactos e a adesao· A supressão da recirculação pelo gás de secagem servem as sim para suprimir a adesão· Igualmente, o gás de secagem que flui para dentro tende a soprar o material que está a secar para dentro, afastando-o da prede da camara, suprimindo ainda mais a adesão do material à parede·

ra

Para minimizar os choques do material húmido com a parede do casquilho, esta parede, na zona de montante, está de preferencia colocada fora do limite lateral do jacto· Hm jacto nao terá limites fisicos definidos; a distancias progressivamente maiores do eixo do jacto, a velocidade do gas no sentido de jusante diminui, sem qualquer discontinuidade apreciável entre o jacto e o meio circundante. 0 limite lateral de um jacto livre', não perturbado pelo fluxo do gás para dentro é usualmente conside rado definido por um tronco de cone teórico que se alarga para fo

A ra a partir da garganta do injeetor e que tem um angulo de inclu são de cerca de 25,5°. Embora o jacto real se alargue em menor grau, devido à acção do gás de secagem, pode usar-se a aproximação do jacto livre na concepção do aparelho de secagem segundo a presente invenção. Assim, a parede do casquilho pode ser dispos ta de modo que a zona de montante do casquilho se situe fora do referido tronco de cone· ^a zona de jusante, onde o material atoZ A mizado esta substancialmente seco e carece de importância o impac to do material na parede do casquilho, esta parede pode estar colocada dentro do tronco de cone teórico.

A parede do casquilho desejavelmente deve ser ou paralela ao eixô longitudinal do casquilho ou divergente de tal eixo segundo um angulo menor ou igual a cerca de 3,5 graus Assim, uma parede troncoconica do casquilho tem um angulo de preferencia não maior que 7 graus. S© a parede do casquilho tiVer a forma de uma superfície de revolução diferente da troncocónica, a

Z n/ geratriz de tal superfície nao deve divergir do eixo longitudinal de um angulo maior que cerca de 3,5 graus.

Eara proporcionar a melhor interaoção entre o gas de secagem e as goticolas e para minimizar o volume do aparelho, a parede do casquilho ou difusor deve estar colocada o mais próximo possível do eixo longitudinal, tendo em atenção as considerações atras estabelecidas. Embora a presente invenção não

A seja limitada por qualquer teoria de funcionamento, cre-se que os turbilhões turbulentos são criados quando o gas de secagem

passa através dos poros na parede do difusor e que estes turbilhões contribuem para a interaçção entre o gas de secagem e as gotícolas· í-lém disso, cre-se que estes turbilhões diminuem quando se deslocam pera dentro com o gas de secagem· vr©-se que a justaposição estreita da parede do difusor e da corrente de ma

AI terial atomizado proporciona uma melhor exposição do material « A aos- turbilhões· De preferencia, pelo menos uma parte da parede do difusor está disposta dentro de cerca de 25 cm do centro da corrente para proporcionar a propagação efectiva dos turbilhões

A jy para o centro da corrente· Cre-se que a interacçao mais efectiva entre os turbilhões e o material disperso se verifica junto da

A parede do casquilho ou difusor· ?or conseguinte, cre-se que as gotícolas que se aproximam da parede são mais rapidamente secadas, suprimindo ainda mais a adesao do material atomizado à pare de ·

A A

Cre-se que as dimensões dos poros tem também importância· Ί dimensão dos turbilhões criados quando o gás de secagem sai dos poros esta directamente relacionada com a dimensão dos poros· Cr-se que a interaçção óptima entre os turbilhões e o material atomizado se verifica quando a dimensão dos turbilhões se aproxima da do diâmetro das gotícolas· Para conseguir essa relação, as dimensões dos poros individuais devem predominantemente estar entre 0,1 e 10 vezes, e de preferencia entre cerca de 1,0 a 5,0 vezes,o diâmetro médio das gotícolas ρι·£ duzidas na fase de atomização· Peste contexto, ''dimensões deum poro significa o diâmetro da partícula esférica rígida maior que passa através do poro· aparelho segundo uma outra forma de reali zaçao da presente invenção, ilustrado esquematicamente na fig. 4.

utiliza um injector (60) com uma abertura rectangular alongada, um tubo de alimentação (62) com saida rectangular que está coloea

da no interior do injector» 0 injector está dirigido para o interior de um casquilho poroso tubular (64) de secção transversal na generalidade rectangular, alargando-se as paredes do casquilho pa ra fora no sentido da extremidade de jusante do casquilho. 0 gas impulsor fornecido pelo injector (60) arrasta e atomiza o líquido fornecido pelo tubo de alimentação (62). 0 gas sai do injector co mo um jacto de secção na generalidade rectangular, arrastando con sigo a corrente de gotícolas· 0 gás de secagem é fornecido através quer dos lados estreitos, quer dos lados largos do casquilho (64) Precisamente como nas formas de realização atras descritas com re ferencia às fig. 1 a 3, o jacto é completamente envolvido pelo gás de secagem projectado para dentro a partir da parede porosa e o material atomizado passa entre correntes de gás de secagem diri gidas para dentro opostas·

Ag relações atrás mencionadas entre a solicitação de arrastamento do jacto e o caudal de gás de secagem atra vés do casquilho aplicam-se às disposições tais como as da fig. 4 que usam um injector com secção transversal nao circular· Com um injector rectangular, a dimensão estreita do injector deve ser to

A mada como diâmetro do injector· Um jacto que sai de um injector rectangular espalha-se para fora de uma maneira muito semelhante à de um jacto que sai de um casquilho circular. 0 limite lateral teórico de um jacto livre proveniente de um injector rectangular, nao afectado por qualquer gas escoando-se para dentro, tem a forma de um obelisco com faces que se estendem dos bordos do injecA tor, formando as faces opostas entre si um angulo de cerca de 23,5°. Mais uma vez, embora o jacto seja constrangido em certa m© dida pelo gás de secagem, o limite do jacto livre teórico pode ser usado na concepção inicial do casquilho.

aparelho ilustrado na fig. 5 inclui um certo número de casquilhos troncocónicos porosos (66) e tubos de gás associados (68). Cada um dos tubos de gás está disposto por •

. forma a descarregar um gas impulsor para o interior de um casqui- 19 -

~iho associado através de um injector e o material líquido a secar 6 fornecido através de um tubo de alimentação (não Representado) no interior de cada tubo. 0 gas de secagem fornecido através das casaras (não representadas) que envolvem os casquilhos é projecta do através dos casquilhos. Assim, cada casquilho funciona da mesma maneira que a porção de montante da camara de secagem atrás de 3 crita com referencia às fig. 1 a 0 jacto que sai de câda injec tor é completamente cercado, ào longo da porção de montante do seu comprimento, por gás de secagem projectado para dentro. As ex tremidades de jusante dos casquilhos estão dispostas entre um par de placas porosas opostas (70), sendo fornecido gás de secagem adicional pelas camaras (72) através das placas porosas· *

Os gases e 0 material atomizado que saem dos casquilhos passam entre fluxos opostos e dirigidos para dentro de gás de secagem projectado das placas porosas, como se indica com as setas na fig.5. 0 gãs de secagem que sai das placas mistu» * ra-se, em condiçoes de turbulência, com 0 material atomizado e com. os gases que saem dos casquilhos· Ag correntes de gás e material atomizado que saem dos casquilhos não são completamente cercadas por gás de secagem que se projecta para dentro quando passam nas placas· Para minimizar a possibilidade de recirculação nas zo nas entre correntes adjacentes, a configuração dos casquilhos (66) e do fluxo do gás de secagem através dos casquilhos está dis posta de modo que 0 jacto que sai de cada injector é substancialmente dissipado no interior do casquilho associado. Agsim, cada

A casquilho de preferencia estende-se para jusante do casquilho associado a uma distahcia de pelo menos 10 veses 0 diâmetro do injec tor, e 0 gas de secagem de preferencia e fornecido através de cada casquilho cám um caudal pelo menos igual à solicitação de arrastamento teórico do jacto.

&as formas de realização atrás descritas, 0 material é projectado num jacto de gás impulsor· Porém, 0 material.

pode ser atomizado e projectadc sem utilizar um gás impulsor· θ aparelho ilustrado na fig· δ inclui uma camara de secagem (74) que é fechada na sua extremidade de montante e nos seus lados· Os

A * lados opostos da camara de secagem sao definidos por placas difuA soras porosas (76). Cada placa difusora porosa comamica com as ca maras (78), estando estas camaras ligadas às fontes de gas (nao

A „ representadas). Ha parede de montante da camara sao montados injectores de atomização tem um certo número de orifícios finos que

A λ abrem para o interior da camara· Os injectores de atomizaçao estão ligados a uma bomba de alta pressão (82).

Um líquido que se pretende secar é forçado através dos injectores (80) pela bomba (82), âe modo que uma corrente de finas gotícolas passa para jusante a partir de cada injsetor· 0 gás de secagem fornecido por intermédio das camaras (78) é projectado através das placas porosas (76) no sentido da corrente de gotícolas· As correntes passam entre fluxos de gás de secagem dirigidos para dentro opostos distribuídos ao longo do comprimento das correntes e o líquido disperso fica efectivamente exposto ao gás de secagem em condições de turbulência. De preferencia, as placas porosas (76), q portanto os fluxos opostos diri gidos para dentro de gás de secagem, estendem-se para jusante para além do ponto em que o material está substancialmente seco·

Como a extremidade de montante da camara es ta fechada, a continuação do fluxo de gas de secagem para o inteA _z A rior da camara força o gas de secagem para o interior da camara a jusante, θ material seco é recolhido num separador (não representado) ligado à extremidade de jusanteda camara.

Como não ha qualquer jacto de gás impulsor, não há a necessidade de dispor o fluxo de gás de secagem de modo a impedir a recirculação gerada por tais jactos· Assim, as corren tes de gotícolas não sao inteiramente cercadas pelo gás de seca- 21 -

/ ^ζ gem projectado para dentro· lambem, o calor necessário para a se· cagem é fornecido inteiramente pelo gás de secagem· Qualquer injector de atomizaçao do líquido capaz de proporcionar o desejado grau de atomizaçao pode ser usado· Uoutros aspectos, a operação de secagem é análoga às descritas atras·

Μ»

Independentemente do processo de atomização / * o tempo de secagem necessário varia de maneira marcada com o diametro das gotícolas; gotícolas maiores demoram mais a secar. Por

A/ IM f F conseguinte, a atomisaçao ate Obter uma dimensão media das gotico las de cerca de 70 nicrómetros ou menos é preferível. Gotícolas muito grandes que secam de maneira relativamente lenta podem cho car com as paredes do secador enquahto ainda estão húmidas e podem portanto aderir ãa paredes· Uormalmente, a proporção de gotícolas muito grandes varia directamente com o grau de não uniformi dade da distribuição dos diâmetros médioè das gotícolas· Assim quanto mais uniforme forem as dimensões das gotícolas na distribuiçao, maior poderá ser o diâmetro médio das goticolas sem que se verifique a adesão· Σ atomização até um diâmetro médio das goticolas de cerca de 63 nicrometros, com % das gotícolas acima dos 212 micrómetros de diâmetro e 12,2/ entre 150 e 212 micrómetros pode ser usada com exito. Mo que respeita ao processo de secagem, nao ha limite inferior para o diâmetro das goticolas· Os diâmetros das gotícolas aqui referidos são determinados pela medi _w A f f çao do diâmetro das partículas secas, admitindo a hipótese de que os diâmetros das partículas secas são mesmos (digo: os mesmos) que os diâmetros das gotícolas produzidas na fase de atomização.

Os materiais líquidos que são viscosos ou por qualquer outro motivo difíceis de atomizar, tais como os materiais comestíveis aquosos com ur. teor de cerca de 40$ de sólidos; ou mais, podem ser melhor atomizados arrastando o líquido no gás impulsor e fazendo passar o gás impulsor através de um orifício, como atrás descreveu com referencia às fig· 1 a 5. Típica mente, a atomizaçao mais efectiva é conseguida quando o gas impulsor se aproxima ou atinge a velocidade do som na garganta do injector.

Os gases impulsor e de secagem usualmente são o ar, mas podem ser usados outros gases· Embora os processou de secagem usualmente impliquem a evaporação de água, podem secar-se materiais que transportam líquidos diferentes da água· Os materiais à base de açúcar, tais como as soluçoes de açúcar na água, mel e melaçp assumem um estado pegajoso, não cristalino de pois da secagem e ficam nesse estado durante um tempo apreciável depois de se completar a secagem. Para evitar problemas de adesão no processamento de tais materiais, podem misturar-se outros materiais com os materiais à base de açúcar para proporcionar pontos de nucleaçao e acelerar a cristalizaçao.

A presente invenção é particularmente apro priada para secar líquidos comestíveis tais como o leite, extrac tos aquosos de café, chicória e chá, mistura de tais extractos e combinações que incluem tais extractos justamente com açúcar, me ** A / Λ laço e mel· Cre-se que a secagem rapida, a ausência substancial de recirculaçao no interior do secador e as temperaturas controladas do produto, que podem conseguir-se com a presente invenção preservam o aroma do produto.

Em formas de realização típicas da presente invenção para secar líquidos comestíveis aquosos, a temperatu ra do gás de impulsão a jusante do injector é tipicamente cerca de 500°C ou menos, o gás de secagem é fornecido à zona de jusante a menos de cerca de 80°C. 0 caudal de massa total do gás de secagem usualmente é cerca de 10 a 20 vezes a caudal de massa do gás impulsor. Nestas condições os líquidos comestíveis típicos

podem ser secos efectivamente eni quantidades industriais com um tempo de permanência do material no secador da ordem dos 50 ms

Λ ou menos· 0 casquilho ou a camara de secagem para um tal processe . Λ pode ter 1 a 2 metros de comprimento e menos de i metro de diame tro·

Os exemplos seguintes ilustram certos aspectos da presente invenção· Os teores de sólidos e os teoreâ de humidade estabelecidos nos exemplos como percentagens são percen tagens em peso·

ΞΧΞΚΡΙΟ 1

Empregou-se um aparelho semelhante ao i. A lustrado nas fig.s 1 a 5· θ injector tem um diâmetro da garganta de mm· 0 casquilho é troncocónico, com cerca de 1 metro de com A primento, cerca de 7 cm de diâmetro interior na suaextremidade

A de montante e cerca de 53 cm de diâmetro interior na sua extremi dade de jusante· A dimensão média dos poros do casquilho é cerca de 50 micrómetros· Bombou-se extracto de café aquoso, contendo cerca de 45$ de sólidos, através do tubo de alimentação com cerca de 70 Kg/h. Forneceram-se ao injector 267 Kg/h de ar de impul são a cerca de 410°C; quando o ar impulsor passa através do injector é arrefecido por expansão a cerca de 31O°C. Forneceram-se 1 662 Kg/h de ar de secagem a cerca de 160°C através da metade de montante do casquilho e 1 948 Kg/h de ar seco a cerca de 42°C através da metade de jusante do casquilho· 0 ar e o material seco sairam da extremidade de jusante do casquilho a cerca de 80°C. 0 extracto de café foi seco para obter partículas com diâmetros de cerca de 20 a 5θ micrómetros e cerca de 5$ de humidade·

Não se detectou qualquer acumulação de material na parede do casquilho· A bebida preparada a partir do produto seco foi preferida por provadores, num estudo cego, a u• ma bebida preparada a partir de um pó obtido pela secagem do mes

mo extracto por uma torre convencional de secagem de uma pulverização · aparelho foi o mesmo utilizado no Sxemplo

1, exceptp que o casquilho tinha uma secção de montante troncocón:.

A ca de cerca de 22 cm de diâmetro interior na sua extremidade de mcn tante e cerca de 52 cm de diâmetro interior na sua extremidade de jusante, e uma secção de jusante cilíndrica com cerca de 52 cm de diâmetro interior· Ambas as secções tem poros de cerca de 50 micrometros de dimensão média. Os caudais de ar foram medidos quando o ar entra no sistema à temperatura ambiente e à pressão atmos férica, antes do aquecimento e da compressão. A pressão do gás im pulsor e a temperatura do mesmo foram medidas imediatamente a mon tante do injector» A temperatura da saída é a temperatura dos gases e dos produtos secos misturados no tubo de saída, medidas aproximadamente a 1 metro da extremidade de jusante do casquilho· Em todos os casos fizeram-se passar cerca de 28 500 litros de gás de secagem através de cada secção do casquilho por minuto· Os ouA „ tros parâmetros para cada exemplo estão indicados no Quadro seguin te:

- 25 II

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EA «çf· co •’Ν.Α. ” significa valor não obtido.

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Secou-se um extracto de chá contendo 44^ de sólidos com um caudal de alimentação de líquido de 115 Eg/h usando o mesmo equipamento que nos exemplos 2 a 6 e usando ar co mo gases impulsor e de secagem· 0 caudal do ar impulsor foi de 317 Eg/h e o caudal total de ar de secagem foi de 2 860 E^/h, divididos uniformemente entre as secções de montante e de jusan-

te do casquilho poroso· Imediatamente a montante do injector, o gás impulsor está a 95°C; quando passa pelo injector é arrefeci do até cerca de 28°0. Ô ar de secagem é fornecido através da sec ção de montante do casquilho a 246°0 θ através da secção de jusante a 93°O. 0 extracto atomizado fica assim exposto a gases *

misturados a temperaturas baixa, alta e intermédia, por esta ordem»

A temperatura de saida é cerca de 85 °C. 0 produto tem um teor de humidade de cerca de 3,5$.

ΞΙΏ1-ΙΡΙ0 8

Secou-se leite pré-concentrado até cerca de 487' de sólidos usando o mesmo equipamento que no Exemplo 7, excepto que o caudal de alimentação do líquido foi 170 Eg/h e o do ar impulsor de 476 Eg/h» A temperatura de saída foi cerca de 65 °0 e o produto tinha um teor de humidade de cerca de 5$.

Claims

E E I 7 I Ιί D I C A Ç Ο Ξ S

Processo de secagem de um material líquido caracterizado por compreender as fases de:

a) atomizar o material e projectar uma corrente do material atomizado numa direcção de jusante; e

A /

b) por o material atomizado em contacto com um gas de secagem projectando o gás de secagem em fluxo turbulento, transversalmen te em relação s. referida direcção para jusante, no sentido da corrente, de lados opostos da mesma, sendo o gás de secagem distribuído ao longo do comprimento da corrente de modo que o material atomizado passa entre correntes opostas de gás de secagem dirigidas para dentro, de modo que o gás de secagem se mistura com o material atomizado e o material atomizado seca quando se desloca para jusante.

- 2â Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o material ser projectado para jusante e atòmizado pela passagem de um gás impulsor através de um injector e se arrasta o material na corrente de gás impulsor a montante da garganta do injector, de modo que o material é atomizado pelo gás impulsor quando passa através do injector e o gás impulsor passa para jusante do injector num jacto, sendo o material atomi zado arrastado no referido jacto.

Processo cie acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o referido gás de secagem ser projectado de mo do que numa zona a montante adjacente ao injector o jacto é completamente cercado pelo gás de secagem que flui para dentro·

Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o gás de secagem ser projectado de modo que, para qualquer ponto arbitrário entre o injector e 10 vezes o dia metro do injector para jusante, o caudal total com'que o gas de secagem e projectado no sentido daquela porção do jacto entre o injector e o referido ponto arbitrário ser igual ou maior que a solicitação de arrastamento teórica total da porção do jacto entre o injector e o referido ponto arbitrário.

Processo de acordo com as reivindicações
2, 3 ou 4, caracterizado por o gás impulsor atingir a velocidade do som na garganta do injector·

Processo de acordo com qualquer das reivin dicações anteriores, caracterizado por o gás de secagem a temperaturas diferentes ser projectado em zonas diferentes ao longo do compsimento da corrente·

- 29 IMWSSíI jusante·

Processo de acordo cora a reivindicação 7, /

caracterizado por o material seco ser arrefecido pelo gas de secagem projectado para a zona de jusante referida·

- Processo de acordo com qualquer das reivin dicações anteriores caracterizado por o material ser atomizado ^z * <

para produzir goticolas com um diâmetro médio menor do que cerca de 70 micrómetros·

- Wâ Processo de acordo com qualquer das reivin dicações anteriores, caracterizado por pelo menos algum do gás de secagem ser fornecido através de um difusor poroso adjacente à corrente, estando as dimensões dos poros do difusor compreendidas entre cerca de 0,1 e cerca de 10 vezes o diâmetro médio das gotíc.) las formadas na referida fase de atomização·

- Processo de acordo com qualquer das reivin dicações anteriores caracterizado por o material líquido ser um material comestível aquoso escolhido do grupo constituído por lei te, extracto de café, extracto de chicória, extracto de chá e mis turas dos mesmos ou uma mistura de um ou mais dos referidos produtos comestíveis aquosos com açúcar, melaço ou mel· £

Processo de acordo cora a reivindicação 11, caracterizado por o material líquido conter pelo menos 40*5 de 'so lidos, em peso.

- 13- Aparelho para a secagem de um material líqui do caracterizado por compreender:

a) meios para atomizar o material terial atomizado numa direcção de e projectar uma corrente do ma jusante; e

b) meios para projectar um gás de secagem num fluxo turbulento, transversalmente em relaçao à referida direcção de jusante, no sentido do corrente de lados opostos da mesma de modo que o gás de secagem seja distribuído ao longo do comprimento da corrente e o gás de secagem se misture com o material atomizado.

- 14- Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por os referidos meios de projecçao do gás de seca gem incluírem um difusor que tem superfícies porosas opostas que se estendem na referida direcção de jusante e meios para forçar o gás de secagem atravás das referidas superfícies opostas, sendo os referidos meios de atomizaçao e de projecçao operativos para projectar a corrente de material atomizado entre as referidas superfícies opostas.

- 15- 1/

Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o referido difusor incluir um cascjuilho tubular '4 alongado poroso, os referidos meios para forçar o gas de secagem através das superfícies opostas incluirem meios para aplicar o gas de secagem sob pressão à superfície exterior do casquilho, sendo os referidos meios de atcmizaçao e de projecção operativos para projectar a corrente de material atomizado no interior do casquilho na sua direcção longitudinal·

- 16â Aparelho de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por os referidos meios de atomização e projecção incluirem to injector alinhado com o referido casquilho, meios pa ra fornecer um gás impulsor ao injector sob pressão de modo que o gás impulsor saia como um jacto para jusante no interior do referido casquilho, e meios para arrastar o material líquido no gás impulsor a montante da garganta do injector.

- 17S-

Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por as superfícies interiores do referido injector e do referido casquilho serem superfícies de revolução e serem coaxiais uma com a outra.

- isâ -

Aparelho de acordo com qualquer das reivin dicações 14 a 17, caracterizado por os referidos meios de projecZ X çao do gas de secagem incluirem meios para projectar 0 gas de secagem. a temperaturas diferentes através de porções diferentes das Z referidas superfícies opostas ao longo da sua extensão de montante para jusante· desta patente foi de Setembro de 19

A requerente declara que o primeiro pedido depositado nos Estados Unidos da América em 03

85, sob o número de série 06/772 150.