Kimyasal İşlem Endüstrileri (CPI) içerisinde en yaygın kullanılan teknolojilerden biri olan püskürtmeli kurutma da kuru toz halinde ürün üretmek için bir sıvı veya bulamaç sıcak gazın içerisine atomize edilir. Püskürtmeli kurutmada besleme olarak çok geniş bir yelpazede pompalanabilir çözeltiler, süspansiyonlar ve emülsiyonlar kullanılabilir.
Püskürtmeli kurutma sayesinde tam ve hassas bir şekilde tanımlanmış özelliklere sahip tozlar üretilebilir. Sıvı besleme, püskürtme yöntemi, kurutucunun ve sistemi oluşturan diğer ekipmanların özellikleri dahil işlem değişkenlerini kontrol ederek imal edilen katı partiküllerin şekli, akış özellikleri ve gözenekliliği kontrol edilebilir. Aşağıda püskürtmeli kurutmaya ilişkin temel değerlendirmeler yer almaktadır.
Atomizasyon
Püskürtmeli kurutma sistemine sıvı beslemesini atomize etmek için çeşitli yöntemler mevcuttur (Resim 1). Birçok püskürtme ekipmanında sıvı, püskürtme başlığından ince bir sıvı film halinde ayrılır. Püskürtücü başlıktan ayrılan filmi parçacıkları sıvının yüzey gerilimi ile birlikte hemen damlacık biçimini alır. Bu yüzden, damlacık oluşumu ağırlıklı olarak sıvının reolojik özelliklerine ve püskürtme cihazının hemen dışında bulunan ısıtılmış kurutucu hava ile etkileşimine bağlıdır.
Rotatif Santrifüjlü (rotatif) atomizasyon, püskürtmeli kurutmada kullanılan en yaygın yöntemdir; dönen bir disk
veya tekerleğin sıvı akışını damlacıklara dönüştürmesidir. Püskürtücü diskten enlemesine bir sıvı buğusu meydana gelir. Santrifüjlü püskürtücüler 5.000 ile 25.000 rpm aralığında dönüş gerçekleştirirler. Elde edilen damlacıkların boyutları, 5 ile 50 cm aralığında çaplara sahip olan tekerlek veya disklerin dış hızıyla aşağı yukarı ters orantılıdır. Değişken hızlı sürücülerin kullanımı sayesinde doğrudan damlacık boyutu kontrol edilebilir. En küçük rotatif püskürtücüler ile laboratuvarda 1-10 kg/saat sıvı kapasiteli beslemenin işlenmesi sağlanırken, 1.000 kW motorla çalışan büyük ticari ünitelerde 200 ton/saat değerinden çok daha fazlası gerçekleştirilebilir.
Nozül Basınçlı nozül ile gerçekleştirilen atomizasyonda, bir pompa kullanılarak sıvıya basınç uygulanır ve sıvı bir orifis veya nozüle doğru itilir. Tipik bir orifis ebadı 0.5 ile 3.0 mm arasında olup uygulanan basınç, viskozite ve
katı içeriğine bağlı olarak nozülün kapasitesini 750-1.000 kg/saat sıvı besleme ile sınırlandırır. Orifis boyunca daha büyük basınç düşüşleri daha küçük damlacıklar meydana getirir ve belirlenmiş bir besleme hızı için partikül ebadını küçültmek için aynı kütle akışını idame ettirmek adına daha küçük bir orifis ve daha yüksek bir pompa basıncı uygulanmalıdır. Basit olmasına rağmen, basınçlı nozülün bakımı özellikle çoklu-nozüllü sistemlerde oldukça zordur. Zorluğu meydana getiren en önemli unsur nozülün özelliklerini değiştirebilen nozül girişinin aşınması ve tıkanmalardır.
İki-akışkanlı Pnömatik Bu yöntemde, atomizasyonun gerçekleştirilmesi için, besleme iki akışkanlı bir nozül aracılığıyla ikinci bir akışkan (genellikle sıkıştırılmış hava) ile etkileşimde bulunur. Sıkıştırılmış havanın beslemeye oranının ayarlanması vasıtasıyla partikül ebadı kontrol edilir. İki-akışkanlı pnömatik püskürtme yaygın olarak daha küçük kurutma sistemlerinde kullanılır.
Sonik Atomizasyon Düşük akış hızlarında ince damlacıklar gerektiren uygulamalarda kullanılabilir. Bu teknikte,
besleme sıvısı ultrasonik frekanslarda titreyen bir yüzeyden geçirilir. Büyük ölçüde bir örnek partikül ebadı dağılımının gerekli olduğu durumlarda küçük kapasiteli kurutucularda kullanılır.
Kurutucu Konfigürasyonu
Sıvının buharlaşmasını sağlamak için, damlacıkların akış profilleri ve kurutucudan geçen gaz yeterli sürede temas etmelidir. Bu nedenden dolayı, püskürtmeli-kurutucu odası ve gaz dağıtıcının ebadı ve geometrisi önemli değişkenler haline gelir. Birçok püskürtmeli kurutucu sistemde, püskürtücü geniş çapa sahip bir kurutma odasının tepesine yerleştirilir ve ısıtılmış gaz püskürtücü etrafına tepeye monte edilen hava veya gaz dağıtıcı aracılığıyla içeri alınır. Bu şekilde, gaz, damlacıklar ve partiküllerin eş yönlü akışı elde edilir. Odanın yüksekliği partiküllere kurumaları için yeterli süreyi tanıyacak şekilde dizayn edilmelidir. Daha büyük ebattaki partiküller için daha geniş çaplı kurutucu odaları gereklidir.
Ürünün bilinen kuruma özellikleri ve istenilen partikül boyutuna göre alıkonma süresi seçilmelidir. Bu sayede kurutucu oda hacmi doğrudan hesaplanabilir.
Bir başka konfigürasyonda, basınçlı nozül kurutma odasının tabanına yerleştirilir ve bu sayede alttan yukarıya doğru püskürtme işlemini gerçekleştirir. İstenilen ürünün iri taneli toz olması ve üretim hızının daha düşük olduğu durumlarda bu konfigürasyon kullanılabilir.
Kurutulmuş Katıların Toplanması
İri taneli tozlar kurutma odasının tabanından kolaylıkla toplanır. İnce tozların toplanması için siklonlar veya torba filtreler kullanılır. Partiküller, kurutma öncesine göre daha serin (buharlaşma yüzünden) ve daha nemli olan kurutucu havadan ayrılmalıdır.
Gaz Akışı
Püskürtmeli kurutucuda kullanılan kurutucu gazın ısıtılması doğal gazın doğrudan yanması, dolaylı olarak gövde-boru tip (shell-and-tube) ısı eşanjörünün kullanılması veya elektrikli ısıtıcılar ile (küçük püskürtmeli kurutucularda) mümkün olabilmektedir. Birçok gaz dağıtıcıları, kurutucu odadaki hava akış profillerini ve ısı dağılımını tanımlamak için bilgisayımsal akışkan dinamikleri analizi (CFD) yardımıyla yapılandırılmaktadır.
Birçok uygulamada gaz dağıtıcıları üzerinde ince ayara imkan sağlayan ayarlanabilir kılavuz valfler bulunmaktadır. Gazı sistem boyunca hareket ettirmek için endüstriyel radyal fanlar kullanılmaktadır. Gaz akışına göre sistem bileşenleri boyutlandırılabilirler.
Buharlaşma Hızı
Buharlaşma hızı, püskürtmeli kurutucuya giriş ve çıkış sıcaklık farkının kütle akışı ile çarpımıyla doğrudan orantılıdır. Çıkış sıcaklık değerleri, malzemenin izoterm dengesine bağlı olduğundan ve gerçek dengeye hiçbir zaman ulaşılamadığından deneysel yöntemlerle belirlenir. Giriş sıcaklık değerleri de aynı şekilde deneysel yöntemlerle belirlenir ve ürün bozulma riskini göze almadan olabilecek en yüksek seviyede olmalıdır.
Güvenlik
Püskürtmeli kurutma işlemlerinde, toz patlaması basınç yükselmesi (Kst), maksimum toz patlaması basıncı (Pmax), minimum tetikleme enerjisi (MIE), minimum tutuşma sıcaklığı (MIT) ve minimum otomatik-tutuşma sıcaklığı (MAIT) dahil olmak üzere toz patlamaları ile ilişkilendirilen güvenlik prosedürleri dikkatli bir şekilde ele alınmalıdır.
İlker Damar / Endüstriyel Uygulamalar Satış Müdürü - GEA
Jens Thousig Møller / Proses Dizayn Müdürü - GEA
Søren Fredsted / Kıdemli Proses Teknoloji Uzmanı - GEA
