Agro-ingenieurstechnieken

Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Agro? → landbouwgrondstoffen
Hoofdstuk 1: Inleiding
Begrippen
Ingenieurstechnologie = studie vd behandeling van grondstoffen moeten ondergaan om geschikt te worden voor een
bepaald doel.
Van elke bewerking / verwerking kan een fabricageschema
opgesteld worden
→ opeenvolging vd verschillende eenheidsoperaties
Eenheidsoperaties? Mechanische en fysische bewerkingen die
voorkomen in fabricageschema’s vd meest uiteenlopende
producten bv granen, groenen en vlees
Er worden 3 types processen onderscheiden
Scheidingsprocessen
Mechanisch
Fysisch
Thermisch
chemisch
Mengprocessen
Mechanisch
fysicochemisch
Bewaarprocessen → warmte, koeling, drogen, straling
Doel en toepassingsgebied van de cursus
Doel? Inzicht verwerven in de eenheidsprocessen vd verwerkende industrie
De specifieke hoofdstukken worden uitgebreid met voorbeelden die specifiek zijn voor de verschillende
toepassingsgebieden. Bv
Reiniging van granen
Transport van granen
Opslag van granen
Groenten en fruit
Drogen van granen
Vermalen van grondstoffen
Inhoud van de cursus agro-ingenieurstechnieken
Eigenschappen van grondstoffen
Materiaal- en energiebalansen
Transport van materialen
Drogen van stoffen
Reinigings- en scheidingsmethoden voor bulkgrondstoffen
Sorteren en klasseren van grondstoffen
Vergroten en verkleinen, vermalen, pelletiseren, extruderen en tabletteren
Mengen van materialen
Stijn Vandelanotte
-1-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Hoofdstuk 2: Eigenschappen van grondstoffen
Algemeen
3 aggregatietoestanden: vast, vloeibaar gas
Voor vloeibaar maar ook voor vaste stoffen gebruikt men soms het woord FLUIDUM
Fasenovergang = een isotherme reactie die plaatsgrijpt bij de transitietemperatuur en latente warmte opneemt of
afgeeft
Bv smelten van ijs of verdampen van water
Hoe? Evaporatie, distillatie, drogen, vriezen, vriesdrogen
Dichtheid en specifiek gewicht
Belang → Voor verkleining en vermenging
Wat? verhouding van gewicht tot zijn volume
Symbool en Eenheid → ρ =[kg / m³]
Kenmerken:
Niet constant ⇔ verandert met de T en de druk p ⇒ normaal als T↑ → ρ ↑
Vaste stoffen
2 types dichtheden te definiëren
De dichtheid vh individuele deeltje
De dichtheid vh bulk materiaal (bevat ook lucht in de poriën tussen de deeltjes)
⇒ bulkdichtheid = de verhouding vd massa v/e vaste stof en zijn bulkvolume
⇒ het gedeelte vh volume dat ingenomen wordt door de lucht is de ‘porositeit ε’
ε = Va / Vb
♦ Va = volume lucht
♦ Vb = volume bulk materiaal
De bulkdichtheid is dus afhankelijk:
De dichtheid vd vaste stof
De geometrie
De grootte en de oppervlakte eigenschappen vd individuele partikeltjes
Vloeistoffen
γ = Het specifieke gewicht = gewicht per volume-eenheid
= . γ = specifieke gewicht [N/m³]
ρ = dichtheid [kg/m³]
g = valversnelling [m/s²]
De dichtheid v/e vloeistof kan uitgedrukt worden als de specifieke zwaartekracht SG
SG = dimensieloze eenheid gedefinieerd als de verhouding tussen de dichtheid v/e materiaal tot de dichtheid
van water bij een specifieke temperatuur
SGT = ρl/ρw
Met ρl = dichtheid vd vloeistof
Met ρw = dichtheid van water
Meestal wordt water bij 4° genomen ⇒ dichtheid van water is dan het grootst = 1000kg/m³
Voorbeeld: vloeistof met een SG van 1.05 ⇒ de beschouwde vloeistof is 1.05x denser dan water
Toepassing van SG → in brouwerij en andere alcoholische fermentaties
Doel? Bv de hoeveelheid opgeloste suikers in de wort weer te geven
Originele zwaartekracht OG = specifiek gewicht voor de fermentatie
Finale zwaartekracht FG = specifiek gewicht na fermentatie
Zo kan bv het percentage alcohol in een pils berekend worden
% alcohol = (FG-OG)*105%
Gassen
Dichtheid van gassen is afhankelijk vd temperatuur en de druk
Formule: P.V = n. RT
P = absolute druk = [Pa]
V = volume = [m³]
n = aantal mol gas =[mol]
R = universele gasconstante = 8.314 J/mol K
T = temperatuur = [K]
Stijn Vandelanotte
-2-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Viscositeit
Def: de eigenschap v/e fluïdum die aangeeft in welke mate deze weerstand biedt tegen vervorming door
schuifspanning
Water ⇒ lage viscositeit
Honing ⇒ hoge viscositeit
Kenmerken
Afhankelijk van temperatuur en concentratie, maar niet van druk
Wanneer 2 vloeistoflagen tov mekaar gaan bewegen ⇒ ontstaat er een snelheidsgradiënt du/dx tussen de twee
vloeistoffen. Daarvoor is er een bepaalde hoeveelheid kracht nodig ⇒ schuifspanning = τ
τ uitzetten tov de bewegingssnelheid
Voor eenvoudige vloeistoffen = Newtoniaanse vloeistoffen ⇒ lineair verband
♦ Dit is het geval bij laminaire stromingen met een lage stroomsnelheid
♦ Voorbeelden: water, olie, gassen, eenvoudige oplossingen, gepasteuriseerde melk, alcohol
♦ τ = η . (du/dx)
τ = schuifspanning = [Pa]
η of µ = viscositeit [Pa/s] = constant bij Newtoniaanse vloeistoffen
Du/dx = gradiënt vd stroomsnelheid loodrecht op het schuifvlak [1/s]
Niet eenvoudige vloeistoffen ⇒ Niet-newtoniaanse vloeistoffen ⇒ niet-lineair verband
♦ Mogelijkheid1: de viscositeit afhankelijk vd heersende afschuifsnelheid
Voorbeelden: Emulsies, suspensies en geconcentreerde oplossingen van pectine, eiwitten
Voor deze fluïda kan een schijnbare viscositeit η* bepaald worden
η* = σs / γ
η* = f(γ)
Men onderscheidt 4 types fluïda
Pseudoplastische fluïda: vervormingssnelheid ↑ → η* ↓
• bv: drinkyoghurt, smeerkaas, vruchtensappen, ketchup = emulsies en suspensies
dilatante fluïda: vervormingssnelheid ↑ → η*↓
• bv: vloeibare chocolade, geconcentreerde dispersies
bingham plastics: gaat pas vloeien als een kritische waarde werd overschreden, waarna
het zich als een Newtoniaanse vloeistof gedraagt
• bv: pindakaas
♦ mogelijkheid 2: verband tussen σs en vervormingssnelheid is afhankelijk
men onderscheidt 2 soorten gedrag
thixotropische fluïda: ∆t↑ → η*↓ (bij constante σs)
• bv: spuitlak
rheopectische fluïda: ∆t↑ → η*↑ (bij constante σs)
• bv: droogzand
De eenvoudigste weergave van viscositeit is de verhouding vd afschuifkracht tov de vervormingssnelheid, deze
wordt de dynamische viscositeit (η) genoemd.
ν=η/ρ
ν = kinematische viscositeit = [m²/s]; η = dynamische viscositeit= [kg/m.s]; ρ = dichtheid = [kg/m³]
De oppervlakteactiviteit
Algemeen
2 of meer onmengbare grondstoffen kunnen gemengd worden tot een vrij stabiel systeem met een specifiek
grensvlak.
2 fasen: Disperse fase bestaande uit kleine druppels fijn verdeeld in een continue fase
Karakteristiek voor dit systeem is een zeer groot specifiek oppervlak vd disperse fase die in contact tis met
de continue fase ⇒ de oppervlakte-energie is sterk vergroot in vgl met de oorspronkelijke gescheiden
producten
Om dit te bekomen zal men dus zeer veel energie moeten aanbrengen
Deze energie kan verminderd worden door het gebruik van emulgatoren of detergenten
⇒oppervlakteactieve stoffen (ook wel tensio-active of surfactanten genoemd Deze doen de oppervlaktespanning ↓ ⇒ systeem is minder energie-eisend
Stijn Vandelanotte
-3-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Wateractiviteit
De waterhoeveelheid = belangrijke factor in de controle vh bederf van LM
De hoeveelheid water v/e product kan uitgedrukt worden obv het nat gewicht of droog gewicht
Op nat gewicht
=
100%
=
Op droog gewicht
=
100%
100%
Beschikbaarheid van dit water belangrijk:
Voor microbiële, enzymatische of chemische reacties ⇒ bepaald de bewaartijd vh LM
Weergegeven door wateractiviteit = aw = relatieve dampdruk (RVP
Definitie wateractiviteit: de verhouding vd dampdruk van water in een product tot de verzadigde dampdruk van
water bij eenzelfde temperatuur
Formule wateractiviteit: aw = P/P0
P = de dampdruk vh levensmiddel [Pa]
P0 = de verzadigde dampdruk vh levensmiddel bij eenzelfde temperatuur [Pa]
Vloeistofdruk
Wat? de druk die door een vloeistof wordt uitgeoefend op zijn omgeving
Formule voor de kracht die een vloeistof kan uitoefenen op een oppervlak:
F = m . g = V. ρ .g
Deze kracht wordt in alle richtingen op gelijke wijze uitgeoefend.
De resulterende druk ⇒ P = Z . ρ .g
Deze vgl stelt de fundamentele vgl voor vloeistofdruk voor
Als de vloeistof zich in een open atmosfeer (met druk Ps) bevindt, wordt de vgl:
P = Ps + Z. ρ .g
Deze druk v/e vloeistof wordt meestal uitgedrukt in hydrostatische hoogte
Stijn Vandelanotte
-4-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Hoofdstuk 3: Materie- en energiebalansen
Vooraf
Doel: mogelijkheid tot het berekenen aan materiaal en energie die de processen vragen
Basis vd berekeningen van materie- en energiebalansen: wetten van behoud van massa en energie
Input = output + accumulatie
Werkwijze
Opstellen vh processchema in een lijnendiagram vd opeenvolgende stappen in het productieproces
Aanduiden van energie- en materiestromen die bij elke stap binnen- of buitengaan
Studie vh diagram en opstellen van vgln met gekende en niet-gekende gegevens, werken met lussen
Materiaalbalansen
Wet van behoud van massa: massa kan niet verdwijnen of gecreëerd worden
2 types systemen
Gesloten systeem: er komen geen materiestromen in of uit de lus. Hierin kan de massa in zo’n systeem wel van
vorm veranderen, maar de totale massa blijft constant
Open systemen: andere systemen
Definiering van een systeem ⇒ m-invoer I, m-uitvoer U, m-inventaris A (=aanwezige massa)
∑I > ∑U ⇒ ∆A >0 ⇒ accumulatie
∑I < ∑U ⇒ ∆A <0 ⇒ afvoer
∑I = ∑U ⇒ ∆A =0 ⇒ status quo
Voorbeeld toepassingetje: silo
Indien voor de silo-opslag de uitstroom = 0 ⇒ ∑I =A
Indien zowel invoer als afvoer is ⇒ ∑I = A + ∑U
Balansen kunnen opgesteld worden over de totale materie of in één vd componenten
Algemeen kan inkomende massa worden uitgedrukt als: min = ∑ i
Algemeen kan uitgaande massa worden uitgedrukt als: muit = ∑ u
Massa kan ook in het systeem geaccumuleerd worden ⇒ macc=dmsysteem/dt
⇒ macc = min - muit = dmsysteem/dt
⇒voor een gesloten systeem geld dan: dmsysteem/dt = 0
Voorbeeld 1:
Mengsel bestaande uit: benzeen B, tuoleen T en xyleen X ⇒ scheiden ⇒ proces in 2 stappen
1) afscheiden van B
2) afscheiden van X → je hebt T over
Processchema
Lus1: F = B + T + X + dA
Lus2: W’ = T + X
Lus 3: F = B + W’ + dA
Lus 4: W = dA + W’
Lus 5: F = B + W
Voorbeeld 2:
Indien men 100kg tarwe heeft met een vochtigheidsgehalte van 17%. Hoeveel water moet men dan verwijderen
om een vochtigheidsgehalte van 15% te bekomen?
Fout: 100kg met 17% VO→ X kg met 15% VO ⇒ 2 kg water wegdoen = fout
Correct: 100kg met 83% DS → X kg met 15% VO ⇒ X = 83/85 *100 = 97,64 kg
83kg DS/97,64 Totaal gewicht = 85 % DS
Hoeveel kg verwijderde water = 100-97,64 = 2.36kg water weg!
Oefeningen hierop: p18,19
Stijn Vandelanotte
-5-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Energiebalansen
Algemeen
Energie kan verschillende vormen aannemen
Warmte
Kinetische energie
Chemische energie
Potentiele energie
Het is soms moeilijk om de energievormen van elkaar af te scheiden, maar in sommige gevallen zal de ene
energievorm sterker zijn dan de andere
Bv bij chemische reacties is de mechanische energie vaak verwaarloosbaar
Bv: bij transport van vloeistoffen kan warmte ontstaan door frictie, en die kan ook gemeten worden,
maar het is niet nodig de details van dat verhittingsproces te bestuderen
Het is dus de bedoeling om de dominante energievorm(en) op te sporen en te beschouwen
Basisbegrippen vd thermodynamica
Het systeem: deze wordt begrensd, zij het door een fysieke grens (bv de wand v/e ketel), of een imaginaire grens
Deze grens definieert een eindig volume
Types systemen
Geïsoleerd systeem: geen in- en afvoer van materie en energie
Gesloten systeem: geen in- en afvoer van materie
Open systeem: in- en afvoer van materie, arbeid en energie
Adiabatisch systeem: geen in- en afvoer van warmte
Diatherm systeem: in- en/of afvoer van energie mogelijk
Een thermodynamisch proces is de evolutie v/e thermodynamisch systeem v/e begintoestand naar een eindtoestand.
De bekendste zijn
Isobaar proces: P = cte
Isochorisch: V = cte
Isothermisch: T = cte
Isentropisch: S = cte = entropie
Isometrisch: onvervorm, geen arbeid uitgevoerd
Adiabatisch: geen verlies/ winst van warmte
Isentalpisch: H = cte = enthalpie
Steady-gate: zonder wijziging vd interne energie
Enthalpie en warmte
Enthalpie? De som van de interne energie en het product van druk en volume
Formule: H = Ei + P.V (kJ)
Formule per massa eenheid= H’ = E’i + P.V’
Een absolute waarde voor enthalpie kan nooit gegeven worden ⇒ altijd tov/e referentie, meestal 0
Stoomtabellen geven bv de enthalpie weer van stoom, veronderstelldend dat bij 0°C de enthalpie vd
verzadigde vloeistof nul is
Gebruik: bij procesberekeneningen
Warmte? = een vd belangrijkste energie vormen
Belang bij: koken, bewaren, ontwikkelen nieuwe voedingsproducten
Symbool: Q = [J]
Overdracht van warmte vanuit systeem → omgeving ⇒ ∆Q < 0
Overdracht van warmte vanuit omgeving → systeem ⇒ ∆Q > 0
Warmte overdracht per tijdseenheid ⇒ symbool q [ J/s = W ]
Stijn Vandelanotte
-6-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Warmtecapaciteit
De warmte nodig om de temperatuur v/e object met een bepaalde temperatuursinterval te verhogen
Symbool: C ⇒ Formule: C = Q / ∆T
Q = de hoeveelheid warmte die nodig is voor de temperatuursverandering ∆T
Specifieke warmte of soortelijke warmte c
De warmte die nodig is om de temperatuur van een specifieke hoeveelheid v/e object met 1° te doen stijgen
Symbool: c
Bij constant volume cv = [J/mol . K]
Bij constante druk cp = [J/mol.K]
Bij vaste stoffen en vloeistoffen: cv ≈ cp
"#
Formule: Q = m " ! v dT
Bij constante druk ⇒ = $ . %& = 0 ⇒ H2 - H1 = ∆H = Q
In de voedingsmiddelenindustrie wordt vaak gewerkt onder constante druk
De wijziging in enthalpie = ∆H ⇒ ∆H = warmte inhoud
⇒ ∆H kan bepaald worden door het meten vh verschil in warmte-inhoud Q
Warmte Q kan ook voorkomen ovv latente warmte Qx of voelbare warmte Qs
∆H = Qs = m . cp. ∆T
Andere energievormen
Mechanische energie
Wat? energie geproduceerd door een motor
Ontstaan? meestal opgewekt dor elektrische energie of stoom
Rendement = output/input * 100%
Chemische energie
Ontstaan? Meestal na verbranding en de hoeveelheid energie kan berekend worden obv de verbrandingswarmte
van de brandstoffen en hun verbruik
2 types
Exotherm → geeft warmte af aan omgeving
Endotherm → neemt warmte op uit omgeving
Arbeid
Dit omvat alle interacties tussen een systeem en zijn omgeving die niet het resultaat zijn v/e
temperatuursverschil. Bv beweging van een piston in motor
Symbool: W = [J]
W > 0: als omgeving arbeid uitvoert op systeem
W< 0: als systeem arbeid levert
W = F. ∆s
Stijn Vandelanotte
-7-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Hoofdstuk 4: Transport van materialen
Mechanisch transport van vaste stoffen
De keuze vh transportsysteem is functie v/e aantal factoren
De vorm en de eigenschappen vh vast materiaal: (poeder ↔ korrels ; broos ↔ hard ; dichtheid )
Verwerkingscapaciteit
Het op te nemen vermogen
Transportlengte en richting van transport (horizontaal ↔ verticaal)
Flexibiliteit van transportsysteem: aan- en afvoermogelijkheden
Continue en batch-processen
Onderhouds- en investeringskosten
Transportbanden (belt conveyors)
Gebruik: horizontaal en licht hellend transport
Opbouw: Rubber, kunstvezels, roestvrijstaal
Snelheid: 0.5 – 5m/s
Open systeem → kans op stofvormig → voorzien v/e afzuigsysteem
Voordelen en nadelen
Voordelen
Nadelen
Lange afstanden
Veel beschikbare ruimte nodig
Geen terugloop
Hoge aankoopprijs
Weinig productschade
Slijtage
Gering krachtverbruik
Stof
Hoge verwerkingscapaciteit
Geringe flexibiliteit
Omkeerbaar systeem
Dient goed afgeschermd te zijn
Geen restproduct
Schraapketting of transportketting
Wat? dit is een afgesloten goot waarin een eindeloze ketting met dwarsliggende schrapers over een rail glijdt
Gebruik: horizontaal, verticaal of schuintransport
o Vooral in graan- en veevoederindustrie met bv 200-2000 ton graan / u
Snelheid: 0.1 – 0.5 m/s
Gesloten of open systeem
Voordelen en nadelen
Voordelen
Nadelen
Eenvoud
Veel beschikbare ruimte nodig
Hoge aankoopprijs
Vrij goedkoop → energie verbruik
Geringe flexibiliteit
Door bekisting stofvrij (gesloten systeem)
Rolbandtransporteurs (roll conveyors)
Wat? opeenvolgende cilindrische stalen rollen.
o Deze rollen kunnen vrij roteren of aangedreven worden
Gebruik: enkel horizontaal transport
Voordeel: zwaardere ladingen kunnen ermee vervoert worden
Transportschroeven = Archimedes of wormvijzen
gebruik: horizontaaltransport over korte afstand, mits enkele aanpassingen is ook schuin en verticaal transport
mogelijk
Wat? een as, met daarop spiraalvormig geplaatst een schroefblad of meerdere schoepen die draait in een nauw
passende pijp. Ondertussen wordt het materiaal eveneens gemengd ⇒ vaak gebruikt in combinatie met mengen of
bevochtigen
Gesloten systeem omwille vh mogelijke stofontwikkeling en voor de veiligheid
Stijn Vandelanotte
-8-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Elevatoren
Gebruik: verticaal of sterk hellend horizontaal transport
Met behulp van emmers of bekers wordt de inhoud verhoogd van niveau
Het materiaal bepaalt de diepte en vorm vd bekers
Capaciteit
bepaald door de grootte en het aantal bekers en de omvang vd elevator
1400 ton / u is haalbaar
Gesloten systeem → geen stof!: bestaande uit twee parallelle, loodrechte kokers
Voet vh systeem ⇒ de productinloop
Kop vh systeem ⇒ productuitgooi
Principe
De aanvoer v/e elevator is meestal open → bekers schrapen in het te verwerken product →
brengen het naar boven
Snelheid: 1,5 – 3m/s
Trilgoot
Wat? een trogvormige bak of pijp, gesteund op veren of trillingsdempers. Hij wordt in beweging
gebracht door een vibrator (trilgoot) of een balansmotor (schudgoot)
Gebruik: transport van kleine capaciteiten, ook zeer geschikt voor het doseren.
Restloos transport en geen productschade
Pneumatisch transport van vaste stoffen
Inleiding
Gebruik:
Ontladen van partikelig materiaal van vrachtwagens en schepen (containers)
Transport van materialen in een bedrijf
Vb: graan, tarwe, bloem, bonen, koffie → ijscrème in ysco uit de schraapkettingen
Ontwerp bepaald door de fysische en mechanische eigenschappen vd te transporteren materialen
Partikeldichtheid, bulkdichtheid, partikelgrootteverdeling, het watergehalte en hygroscopiciteit
2 types systemen: drukluchtsystemen (drukluchtsystemen) en vaccuumsystemen (zuigtransport)
Voordelen en nadelen tov mechanische transport
Voordelen
Nadelen
Flexibel systeem met verplaatsbare en meerdere
Relatief duur in aankoop
in- en uitgangen
Energetisch minder interessant (hoog kracht verbruik)
Geen stof (stofexplosie, goed voor hygiëne)
Soms verpulveren van broosmateriaal
Weinig ruimte inname
Soms beschadiging installatie door scherpmateriaal
Weinig handen arbeid, weinig onderhoud
Scheidingsinstallatie lucht/product nodig
Beperkt tot deeltjes van max 40mm en SG = 2kg/L
Secundaire effecten (drogen, mengen, koelen) kunnen ook beoogd worden
Afvoer gebeurt vaak over een cycloon of sedimenteringsruimte om stofvorming tegen te gaan
Zuiglucht systemen vs drukluchtsystemen
Zuigluchtsystemen
Werking: Luchtpomp (compressor of ventilator) creert een luchtstroom → deeltjes meesleuren
Zeer geschikt voor verzameltransport, waarbij producten van
meerdere opgavepunten naar één ontvangstbunker worden
getransporteerd
Afvoer gebeurt via cycloon of filter
Er wordt geen warmte in het product gebracht
De onderdelen van dit systeem zijn:
Zuigmond of inlaat
Transportleiding
Recepient met sluis
Stofafscheider (zakkenfilter of cycloon)
Luchtpomp
OPM: → duurder dan druksysteem, maar geniet de voorkeur bij het transport van stoffig materiaal, gezien de
luchtvervuiling en het risico op explosie kleiner is
De zweefsnelheid is 3-4m/s bij een luchtsnelheid van 25-30 m/s
De luchtsnelheid is afhankelijk vd weerstand
Bezettingsgraad, leidingseigenschappen, zuigmond, stofafscheider
Stijn Vandelanotte
-9-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Drukluchtsystemen
Werking: Ventilator of compressor stuwt perslucht door leidingen waardoor het materiaal zich verplaatst
Grotere opvoerhoogte dan bij zuigluchtsystemen
Zeer geschikt wanneer er 1 of meer opgave punten aan 1 of meer ontvangstsystemen worden toegevoerd,
gebruikmakend van dezelfde luchtbron
Voordelen tov zuigluchtsystemen
Grotere capaciteit
Langere afstanden
Onmiddellijk invoer in het productieproces, geen scheiding van lucht
Ventilatoren en compressoren
Deze behoren tot de categorie van turbomachines
Opbouw: rotor en stator
Rotor voorzien van schoepen, draaiend in een stator en wisselt energie met het stromend fluidum
Enkel de tangentiele component is nuttig in de energieoverdracht
2 types turbomachines
Aangedreven machines → mechanische asenergie wordt omgezet in hydrodynamische energie
Rotor neemt energie op
Stator zet de snelheidsenergie om in druk
Voorbeelden: compressoren, pompen, ventilatoren
Aandrijvende machines
Energie gaat van fluïdum over naar de rotor
Fluïdum stroomt door een stator → snelheid ↑ → fluïdum door rotor → energie leveren aan de rotor
Voorbeelden: turbines
Ventilator
Doel: lucht of gas in beweging brengen
Werking: roterende schoepen → centrifugale kracht op lucht→ kleine druktoename + gasdebiet ↑
⇒ gas/lucht in leidingen → transport
Compressor
Doel: gassen samen drukken en zo onder een hoge druk beschikbaar te stellen
Bij die druk verhoging gaat er een zekere warmte ontstaan
Deze warmte tgv de drukverhoging = compressiewarmte
Karakteristiek bij een compressor = de compressie verhouding = verhouding vd einddruk tovd begindruk
Vergelijking pneumatisch en mechanische transport
Pneumatisch systeem
Voordelen
Nadelen
Belangrijke investering
Beperkte SG grondstoffen, hardheid en slijtvastheid
Belangrijke energie-opname losinstallatie: blower specifiek
verbruik van 2.0-2.4 kWh/ton met ventilator 1,41,8kWh/ton
Specifiek verbruik daalt bij kortere transportafstanden en
geringere luchtweerstand in leidingen
Mechanisch systeem
Voordelen
Nadelen
een problemen SG, hardheid of slijtvastheid
Meer stof
Energetisch interessanter: schroeflosinstallatie
Meer geluidshinder
specifiek verbruik van 0,4-0,9 kWh/ton,
Meer personeel
kraaninstallatie 0,5-0,75 kWh/ton
Minder flexibel
Het energieverbruik is meestal het belangrijkste criterium voor het afwijzen v/e pneumatische installatie.
Zowel bij pneumatisch als mechanisch lossen en transporteren kan het specifiek energieverbruik evenwel
geminimaliseerd worden door
De werkelijke verwerkingscapaciteit zo dicht mogelijk bij de optimale capaciteit vd toestellen te brengen en zo
weinig mogelijk fluctuaties vd verwerkingscapaciteit te hebben
Indien nodig wacht- of tussenbunkers inschakelen om constant optimale capaciteit te benaderen
Leeglopen te minimaliseren en installatie stil te leggen bij lange leeglooptijden
Stofvrij
Weinig personeel
Weinig geluidshinder
Eenvoudig in onderhoud
Flexibel
Omzetting toegevoegde energie in warmte,
grotendeels afgegeven aan transportlucht
Stijn Vandelanotte
-10-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Vloeistofstromen
Belang van vloeistofstromen
o Grondstof kan vloeibaar zijn
o Het eindproduct kan vloeibaar zijn
o Vaste stoffen kunnen zich als een vloeistof gedragen
o Vloeistof kan het transport van vaste stoffen bewerkstellen
o Gassen hebben een gelijkaardig gedrag aan vloeistoffen
Massabalans
1: Massabalans
Systeem zou als de figuur →
Opbouw: continue pijpleiding met varierende diameter
Diameter ingang: D1
Diameter uitgang: D2
De pomp zorgt voor de nodige energie om de vloeistof te verplaatsen
Wet van behoud van massa:
ρ1 . A1 . V1 = ρ2 . A2 . V2
Is de vloeistof niet samendrukbaar? ⇒ ρ1 =ρ2 ⇔ A1 . V1 = A2 . V2 = de continuiteitsvergelijking
Energiebalans
Wijzigingen qua energie inhoud in
Potentiele energie, kinetische energie, drukenergie
Energieverlies door frictie, mechanische energie toegevoegd door pompen, warmte-energie door het opwarmen
of afkoelen vd vloeistof
Om de hiervoor de nodige vgl op te stellen, wordt een referentiepunt in het systeem gekozen.
Potentiele energie
Formule: Ep [J/kg]= Z.g . m
Kinetische energie
Formule: Ek [J/kg] = ½ m v²
Druk energie
Formule: Er [J/kg] = P. m / ρ = P . V
Wrijvings energie
Symbyoo: Ef
Mechanische energie
Symbool: Ec
Vergelijking van Bernouilli
Formule: Ep1 + Ek1 + Er1 = Ep2 + Ek2 + Er2 + Ef - Ec
Ideaal geval zonder energie invoer en verliezen:
Z1 g . m . + ½ v²1 m +P1.V1 = Z2 . g .m+ ½ m. v²2- + P2 .V2
Ideaal geval zonder energie invoer en verliezen voor een vloeistof met massa 1 kg
Z1 g . + ½ v²1 +P1/ρ1 = Z2 . g .+ ½ . v²2- + P2/ρ2
Dit geld voor elke sectie van de pijp ⇒ Z.g + ½ v² + P/ρ = k
Laminaire en turbulente stromen
Lage snelheid → Kalme stroom
Hoge snelheid → sterkere stroming
).*.
Het getal van Reynolds = '( = +
⇒ dit uitdrukken obv het getal van Reynolds Re
ρ = dichtheid, v = snelheid, µ = viscositeit, D = diameter van de pijp
Re < 2100 : laminaire stroming
2100< Re <4000: transitie
Re > 4000: turbulente stroming
Transport van vloeistoffen
Hydrauliek? Een aandrijftechniek die gebruik maakt van vloeistof onder hoge druk
Hydromotor? Een omzetter van hydraulische energie naar mechanische energie
Opbouw v/e hydraulisch systeem
Generatorisch deel = de pomp, aangedreven door een elektromotor of verbrandingsmotor
Omzetten vh aandrijfvermogen (toerental en koppel) in hydraulisch vermogen
Besturing met leidingwerk
Motorisch deel (hydraulische cilinder en of motor)
Omzetten van het hydraulisch vermogen in kracht en snelheid of toerental en koppel (hydromotor)
Een transportsysteem bestaat uit 4 componenten
Tank + pijpleiding + pomp + hulpstukken ⇒ wordt verder besproken
Stijn Vandelanotte
-11-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Pijpleidingen
Via pijpleidingen, buizen, goten, … worden vloeistoffen meestal vervoerd
Deze zijn dan meestal vervaardigd uit roestvrij staal
Belangrijk bij het gebruikte materiaal is de ruwheidsfactor e ⇒ oneffenheden kunnen zorgen voor turbulentie
Pompen
Functie: de verplaatsing van vloeistoffen verzorgen
2 klassen vloeistofpompen
Turbopompen/momentumpompen
Opbouw: ze bestaan uit een ronddraaiend schoepensysteem
Principe: de geleverde energie wordt omgezet in kinetische energie (en drukenergie)
Hoge snelheid in de pomp
Voorbeeld: centrifugaalpomp, dompelpomp, waterstraalpomp, zijkanaalpomp
Voordeel: goedkoper, duurzamer, robuuster
Volumetrische pompen/positieve verplaatsingspomp
Principe: de geleverde energie wordt omgezet in drukenergie
Hoge druk in de pomp en lage snelheid
Voorbeeld: plunjerpompen, zuigerpompen, membraanpomp, lobbenpomp, rollerpomp
Voordeel: beter voor visceuze vloeistoffen te verplaatsen
Rendement of efficiëntie
Wat? de verhouding vd de door de motor geleverde energie tot de verhoogde snelheid en drukenergie die aan de
vloeistof gegeven wordt
Het vereiste vermogen P [W] v/e pomp wordt gegeven door de formule: & = . , c
m = massa debiet = [kg/s]
Ec = arbeid per massa-eenheid = [J/kg]
Kleppen ventielen en schuiven
Functie: regelen en sturen van het hydraulisch systeem tussen de pompen en motoren
Voorbeelden: terugslagkleppen, veiligheidskleppen, reduceerkleppen, balanceerkleppen, …
De venturi-klep
Stroom in een pijpleiding wordt belemmert door een vernauwing in de buis
Gevolg: snelheid v ↑ ⇒ p ↓
⇒ deze ∆p = de statische druk in de vergelijking van Bernouilli
Venturi-effect Bewijs:
Doorsnede in de buis verkleint van A1 → A2
Indien de vloeistof niet samendrukbaar is en de respectievelijke snelheden en
statische drukken voor de en na de vernauwing gegeven worden door:
v1, v2 en P1 , P2
Hieruit volgt de vergelijking van Bernouilli: ½ v1² + P1/ρ1 = ½ v2² + P2/ρ2
Uit de massa balans geldt: A1 . v1 = A2 . v2 en niet samendrukbaar ⇒ ρ1 = ρ2 =ρ
½ v1² +P1 /ρ1 = ½ (v1 . A1/A2)²+P2/ρ
v1² = [2(P2 - P1 )/ρ] . A2²/ (A2²-A1²)
als de beide secties verbodnen worden met een U-vormige manometer, kan de differentiele hoogte bepaald
worden als (P2 - P1)/ρ. Als bij het inbrengen van een manometervloeistof met dichtheid ρm wordt een
equivalente hoogte opgemeten
⇒ (P2 - P1)/ρ = g Z ρm /ρ ⇔ Z = (P2-P1)/(ρm.g)
Hieruit kan de snelheid vd vloeistof v1 bepaald worden
Stijn Vandelanotte
-12-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Hoofdstuk 5: Opslag en drogen van grondstoffen
Kan noodzakelijk zijn op korte termijn, maar ook op lange termijn
Korte termijn: net voor de start van een productiestap → bv verwerking van melk
Lange termijn: om zo een continue stroom aan product te kunnen garanderen
Opslag
Opslag van vaste stoffen
Paletten → vervaardigd uit hout, metaal en plastic
Doel: eenvoudig (mbv vorkliften) te verplaatsen van materialen
De keuze van materiaal hangt af vd opslagomstandigheden, want het is essentieel dat de paletten voldoende
stevig zijn tegen schokken en dergelijk
OPM: producten in boxenstapelen → paletten kunnen gemakkelijker worden gestapeld
In grote zakken bewaren voorzien van een ontladingssysteem
Vooral bij korte tijden → bv mestzakken voor kunstmeststof
In vergaarbakken of silo’s
Vooral bij grotere hoeveelheden → bv silo’s met voeders
Opslag van vloeistoffen
Vaten
Tijdelijke opslag, relatief kleine hoeveelheden of hoog viskeuze producten (deeg, vruchtenpulp)
Vaten worden voorzien van een hellende bodem / conische bodem, bolle bodem
Tanks
Grotere hoeveelheden
Vast of flexibele , bij de laatste kunnen ze dan door vrachtwagens getransporteerd worden
Drogen
Belang
Na de oogst moeten de meeste producten verder gedroogd worden
Doel?
Behandelen obv/e standaard vochtgehalte
Te natte producten kunnen niet bewaard worden
Risico’s? schimmelontwikkeling met mycotoxines
Wie? De ontvangende handel of coöperatie
Hoe? In drooglucht-installaties met verwarmde lucht met een bepaalde
vochtcapaciteit
Studie van de vochtige lucht: definities
Waterdamp-verzadigingsdruk Ps → afhankelijk van T en totale druk
Vochtgehalte in d lucht aanwezig → afhankelijk vd Ps vd lucht bij deze T
Het vochtgehalte X
Formule: x = . = absoluut vochtgehalte
L = hoeveelheid droge lucht = [kg]
W = hoeveelheid water in deze lucht = [kg]
Bij droge lucht x = 0
Bij zuiver water x = 1
De relatieve vochtigheid ϕ
Formule: ϕ = P / Ps
Max ϕ = 1 ⇔ partieeldruk vd waterdamp P = de verzadigde dampdruk Ps
Het bijhorende verzadigingsvochtgehalte is xs
P0 is de totaal druk, P en P-0 – 0 zijn de partieeldrukken vd waterdamp en de lucht
Verband tussen X en ϕ
Ideale gaswet: P.V = nRT ⇒ volume V ⇒ W en L onder een totale druk van P0
P.V = W . Rd. T
met Rd = 461,5 J/kg K
(P0 - P) . V = L.Rl . T
met Rl = 287 J/kg K
X = . = 0,622 P / (P0 - P )
met bij een bepaalde T: P = ϕ Fs
X = 0,622 ϕ Ps / (P0 - ϕ Ps)
met de algemene gaswet: P = W. Rd . T / V = C . Rd .T
Y = P/Ps = C /Cs
Stijn Vandelanotte
-13-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Het soortelijk volume V
Het volume V bevat W kg vocht + L kg lucht
Ideale gaswet: P0 . V = (W.Rd + L.Rl) . T = L (Rl + W . Rd / L ) . T
Het soortelijk volume V per kg droge lucht, vind men door L gelijk aan 1 te stellen
V = (Rl + X . Rd) T / P0 = (0,622 + x) . 461,5 . T / P0
De verzadigingsgraad F
Formule: F = x/xs
De enthalpie
Wat? ∆H stelt de warmte inhoud of enthalpie van een (W + L) kg mengsel voor, terwijl h de warmte-inhoud van
een (1+x) kg mengsel
Noemt hl en hw, de enthalpie vd lucht en vocht in kJ/kg
Dan is de enthalpie van (1+x) kg mengsel = h = hl + x .hw
Is het vocht in dampvorm aanwezig ⇒ hl = Cl . T en hw = r0 . Cd . T
Hierbij is r0 = de verdampingswarmte van water bij 0°C
T de temperatuur in °C
Cl en Cd = soortelijke warmte van lucht en waterdamp
De enthalpie van 1 kg droge lucht met x kg waterdamp is dan
H = Cl . T + x (r0 + Cd . T)
H = (Cl + x . Cd) . T + x . r0
H = s . T + x. r0 = h’ + x . r0
Hierbij is s de grootheid van vochtige soortelijke warmte
Als in het mengsel condensaat aanwezig is, in de vorm van vloeistof of vaste stof, moet de uitdrukking
van h overeenkomstig gewijzigd worden, met gebruik van de soortelijke warmte van water, ijs en de
smeltwater
Het h/x diagram van Mollier
Geeft de voorstelling van h als functie van x in een scheefhoekig assenkruis
Elementaire bewerkingen in het h/x-diagram
Afkoelen en opwarmen
Wordt een lucht-waterdamp mengsel zonder meer afgekoeld dan wijzigt
het vochtgehalte x niet
In het mollier diagram wordt dit voorgesteld door een verticale rechte naar
1) Ta = omgevingstemperatuur
beneden
T, H , V ↓ en ϕ ↑
2) Te = eindtemperatuur
Bij voldoende afkoeling wordt de verzadigingskromme ϕ = 1 bereikt
Bij verdere afkoeling verplaatst de rusttoestand zich langs ϕ = 1
3) Td = dauwpunt
⇒gedeelte vh vocht zal condenseren
Het punt waar juist verzadiging optreedt noemt men het dauwpunt
Mengen van lucht
De luchttoestand na mengen van 2 luchthoeveelheden kan makkelijk
berekend worden
Twee luchthoeveelheden L1 (1+ x1 en L2 (1 + x-2) worden gemengd en
geven Lm (1+ xm)
(1) Materiebalans : L1 + L2 = Lm ⇔ x1. L1 + x2. L2 = Lm xm
(2) Warmtebalans: h1. L1 + h2. L2 = Lm hm
(1) + (2): xm = (x1 . L1 + x2 . L2) / (L1 + L2) en hm
= (h1 . L1 + h2 . L2) / (L1 + L2)
Of: L1 / L2 = (xm - x2)/(x1 - xm) en L1 / L2 = (hm - h2)/(h1 - hm)
Bevochtigen van lucht
Hoe? Inblazen van stoom, verstuiven met water
Voor water geldt: L = 0 en x = W/L ⇒geen gebruik v/e menging in het Mollier-diagram
(1) Stofbalans: L1 + 0 = Lm ⇔ x1 . L1 + W = xm Lm
(2) Warmtebalans: h1 L1 + hw . W = hm . Lm
(1) + (2): hw = (hm - h-1)/(xm - x1) = dh/dx
Voor water geldt: hw = 4,18 . T
Voor stoom geldt: hw = r0 + 1,86.100
Dankzij de laatste formule kan men toch gebruik maken vd dh/dx as in het Mollier-diagram. De
vochttoename dx kan uitgerekend worden en het mengsel ligt op de rechte door de pool en de
overeenkomstige dh/dx
Stijn Vandelanotte
-14-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Adiabatisch bevochtigen van lucht
Men stuurt lucht met een bepaalde temperatuur T1 door een geisoleerde kamer met daarin een groot
wateroppervlakte met temperatuur Tw
De geisoleerde kamer verhindert verlies of opname van warmte ⇒ deel vd voelbare warmte wordt omgezet
in latente warmte
De verzadiging van water zorgt voor een verzadiging vd lucht ⇒ adiabatische verzadiging
De lucht die uit de kamerkomt heeft een temperatuur T2 = Tw
Energieinhoud
A) H1 = Cl . T1 + Cd .x1 .T1 +r0.x1
met s1 = Cl + Cd . x1
B) H2 = Cl . T2 + Cd .x2 .T2 +r0.x2
met s2 = Cl + Cd . x2
⇒ Cl . T1 + Cd .x1 .T1 +r0.x2= Cl . T2 + Cd .x2 .T2 +r0.x2
⇒ T1 = (Cl . T2 + Cd .x2 .T-2 + r0. (x2 - x1))/(Cl + Cd . x1)
⇒ T1 = T2 + (r0. (x2 - x1))/(Cl + Cd . xm)
⇒ xm = x1 + x2 / 2
Hierbij zijn Cl = 1,005 kJ/kg en Cd = 1,88 kJ/kg
Deze gekleurde vgl bepaalt volledig de toestand vd intredende lucht uit de kennis vd luchttemperatuur en vd
adiabatische verzadigingstemperatuur Ts. Op die manier is tevens aan te tonen dat de luchttoestand volledig
bepaald wordt door twee temperatuursmetingen
Evaluatie van de luchtvochtigheid
De haar hygrometer
Vooraf: het ontvet menselijk haar vertoont een niet-lineaire uitzetting ifv de nieuwe vochtigheid
Voordeel: eenvoudig, robuuste evaluatie methode, snel en continu
Gebruik: tot 50°C
OPM: bij sterke uitdroging treedt er een blijvende vervorming op
De uitzetting vd relatieve verandering vh haar tov de R.V-verandering laat
toe om duidelijker verschillen te maken
Voorbeeld
L
∆L/L
ϕ
0,3
10
0,5
12
0,17
0,7
13
0,08
0,9
14,5
0,04
De dauwpuntsmeter
Principe: men plaatst een glazen spiegel in een omgeving , waarvan men de oppervlakte temperatuur continu
laat dalen ⇒ bepaald moment: condensatie op de spiegel ⇒ de temperatuur waarbij de condensatie optreedt
=dauwpunt
Aan de hand vd dauwpunt temperatuur, de omgevingstemperatuur en het Mollier-diagram is de
verzadigingsgraad vd lucht te achterhalen
Kan ook berekend worden , maar dit is niet gemakkelijk
De psychrometer (natte bol thermometer)
Principe: twee naast elkaar opgestelde thermometers waarvan de ene omgeven is door een met water verzadigd
gaas. Het luchtlaagje dat dit haas omringt heeft een RV = 1. Omdat de RV vd lucht beduidend lager is , bestaat
er een tendens vh vocht om te verplaatsen vh gaas naar de drogere lucht, zodat water zal verdampen uit dit gaas.
In de veronderstelling dat initieel de temperatuur van beide thermometers gelijk is aan de luchttemperatuur Tli
zal de verdamingsenergie uit het water zelf gehaald worden zodat de temperatuur vd natte thermometer daalt.
Tevens zal xli aan het wateroppervlak dalen
Dx = xw - xli en het vochttransport neemt af
Er ontstaat een ∆T tussen de lucht en het gaas ⇒ warmte toevoer vanuit de lucht ⇒ evenwicht ⇒ temperatuur
vh gaas daalt niet meer ⇒ natte bol temperatuur is bereikt
Formule: (xw - xli)/(Tli - Tnb) = 1 / (2500 – 2.35 Tnb)
Stijn Vandelanotte
-15-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Het droogproces
Doel: verwijderen van een vloeistof zodat een stabiel product bekomen wordt
Fout doel: al het water verwijderen! Meestal beperken tot enkele procent vermindering
Dit kan wel het doel zijn als men een poeder uit de reactieoplossing wilt halen
Gebruik: vooral op vaste producten → het verwijderen van vocht uit vloeistoffen is concentratie ⇒ indampproces
Methodes?
Mbv warme lucht als direct medium
Warme oppervlakken als indirect medium
Door IR-straling
Door microgolfopwarming
Vriesdrogen
Het drogen kan ook zo z’n invloed hebben op het gedroogde product
Soms ook ongewenste veranderingen: bruinkleuring, ontbinding, migratie van opgeloste bestanddelen, krimp
Convectiedrogen of warmeluchtdrogen wordt het meest toegepast
Lucht is enerzijds een warmte bron en verzorgt ook de afvoer van de waterdamp
Verdamping van vrij water in een warme luchtstroom
Drogen is een ingewikkeld fenomeen en is moeilijk te beschrijven. Het proces wordt beïnvloed door 3 fenomenen:
Verdamping van water
Het warmtetransport in de te drogen producten
De diffusie of transfer van water in het product
Stel vrij water dat in contact is met warme lucht met dezelfde temperatuur T, met
Dampspanning van water Pw
Dampspanning van lucht Pl
De lucht is onverzadigd ⇔ Pw > Pl ⇒ het verschil in dampspanning is de drijvende kracht voor verdamping
Stel dat de dampspanning vh product ook groter is dan die vd lucht ⇒ product staat vocht af aan lucht
Stel dat de dampspanning vh product kleiner is dan die vd lucht ⇒ product neemt vocht op vanuit de lucht
De warmte nodig voor de verdamping wordt door de lucht geleverd
Drooginstallaties
Warme lucht drogers = convectiedrogers
Torendroger
Materiaal opgestapeld op geperforeerde plaat, lucht wordt erdoor gestuurd
Luchtverdeling is weinig uniform agv preferentiele stroming en verzadiging vd lucht in de onderste lagen
Problemen kunnen opgelost worden door het materiaal te mengen, het niet te dik op te stapelen, snelheid vd
luchtstroom op te drijven, de lucht te herdrogen na doorgang door een bepaalde laag en dan pas door een
volgende laag sturen
Hoog energie gebruik: lucht moet opgewarmd worden. Een deel vd drooglucht kan eventueel gerecirculeerd
worden en gemengd worden met verse lucht
Lage warmte-efficiëntie: hoe meer vocht de lucht opneemt, hoe lager de verdamping
Voorbeeld: de cascadedroger
Banddroger
Materiaal bevindt zich op een beweegbare ondergrond
Bv karretjes met geperforeerde of op een geperforeerde transportband
Trommeldroger
Trommel met schoepen is schuin opgesteld, materiaal en lucht bewegen in tegen- of gelijkstroom
De afgevoerde lucht komt in een cycloon terecht
Pneumatisch transport droger
Fluidisatiedroger
Warme lucht stroom in tegenstroom met product
De afgevoerde lucht komt in een cycloon terecht
Sproeidroger
Belangrijkste toepassing van warme lucht drogers, bestaat uit lucht verhit door hoge druk stoom
Cycloon voor luchtafscheiding
Fluidisatiedroger en –koeler
Zeer vlugge droging bij hoge temperatuur, toch korte tijd, goed voor hittelabiele producten
Gebruikt voor de bereiding van melkpoeder
Vaccuumdorgers
Laat drogen bij toe bij verlaagde temperatuur
Zeer goed voor thermolabiele producten
Zowel kamer als walsendrogers
Stijn Vandelanotte
-16-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Contactdrogers
Walsendroger
Drogen door contact met een metaalwand
De walsen worden intern verhit met stoom
Soms is een roerwerk aanwezig dat het te drogen materiaal over het droogoppervlak voortduwt
Droogluchtproblematiek
Opgewarmde buitenlucht
Principe
Buitenlucht met temperatuur T1 en vochtgehalte x → opwarmen tot T2
Isenthalpische of adiabatische vochtopname: de energie voor de vochtverdamping
komt uit de lucht zelf
Gevolg: buitenluchttemperatuur daalt tot T3 en het vochtgehalte vd lucht ↑
Theoretisch is een vochtopname tot Y = 1 mogelijk, in de praktijk wordt echter Y
maximaal 0,95, anders is het risico op verneveling te groot
Telkens heropwarmen van de afgekoelde lucht
De lucht die uit de installatie zit nog steeds op een hogere T dan de omgevingslucht,
weliswaar met een hogere vochtigheid. Terug opwarmen is voordelig daar met een
kleine energiekost terug de gewenste T kan bereikt worden
Opm: dit kan natuurlijk niet oneindig doorgaan
Drogen met menglucht
Lucht uit een drooginstallatie bezit een hoger vochtgehalte maar tevens ook nog een
hogere warmte-inhoud. ⇒mogelijk om zowel het vochtgehalte te reduceren als om de
energie te recupereren door de uitstromende lucht met verse buitenlucht te mengen en
vervolgens op te warmen
Stijn Vandelanotte
-17-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Hoofdstuk 6: Reinigen en mechanisch scheiden van materialen
Inleiding
Mechanische scheiding van heterogene mengsels → reinigen en sorteren van grondstoffen
Obv: kleur / grootte / vorm / dichtheid ρ
Voorbeelden van mechanische scheidingsprocessen
Zeven, filtreren
Sedimenteren, centrifugeren
Fysische scheidingsmethoden van homogene mengsels
Voorbeelden van fysische scheidingsmethoden
Kristallisatie, destillatie, evaporatie, extractie
De keuze vh gebruikte proces/techniek is afhankelijk van
Type mengsels
Gewenste zuiverheid
Kostprijs: investering en productie
Gewenste snelheid
Eigenschappen mengsel: grote verschillen ⇒ gemakkelijke scheiding
Efficiëntie van mechanische scheidingsmethoden
1) Gravimetrische efficiëntie Em =
2) penetratie efficiëntie Pm =
/00
/12
/
/12
=monderstroom/mvoeding
=moverloop/mvoeding = 1- Em
Types van mechanische scheiding
Scheiden van vast/vast mengsels
Doel: opdeling v/e vaste stof mengsel in twee of meer fracties van gelijkmatigere samenstelling
Methoden
Sorteren
Scheiden vd verschillende vaste stoffen uit het mengsel
Dit kan obv dikte, grootte, vorm, hardheid
Classificeren
Indelen van een vaste stof in fracties
Dit kan bv op diameter zijn ⇒ graan, aardappelplanters
Scheiden van vast/vloeistof mengsel
Doel:
Klaren vd vloeistof of te zuiveren
→bv: zuiveren van extracten
De vaste stof winnen
→ bv: zetmeel, suiker
De vaste stof en de vloeistof winnen
→ bv: persen van oliehoudende zaden
Methoden: Sedimenteren, Centrifugeren, Filtreren, Persen, lekken
Verschil tussen sedimentatie en filtratie
Bij sedimentatie:
er moet een dichtheidsverschil optreden tussen de deeltjes en de vloeistof
de dispersie moet verdund zijn
Bij filtratie: is dit niet nodig
Nadeel: hogere energie input dan bij sedimentatie
Scheiden van vast/gas mengsels
Doel
Terugwinnen product
Optimalisatie vd volgende stap
Beveiliging productieproces (stofexplosie)
Wanneer: Na verstuivingsdrogen, na pneumatisch transport of
gedurende de behandeling van stoflucht
Efficiëntie?
Vooral afhankelijke vd diameter vd deeltjes (tussen 0,1 – 50µm)
Besluiten:
Sedimentatie in het gravitatieveld is slechts efficiënt voor deeltjes groter dan 100µm
Deeltjes tot een grootte van 10µm kunnen afgescheiden worden oiv centrifugaalkracht
De deeltjes tot een grootte van 1µm worden enkel goed afgescheiden via filtratie
Stijn Vandelanotte
-18-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Scheiden van onmengbare vloeistoffen
Voorbeeld: mengsel met lichte fractie en zware fractie
Methoden: sedimentatie met zwaartekracht of centrifugaalkracht
Scheiden van vloeistof/gas mengsels
Scheiden van weinig gas uit veel vloeistof ⇒ verstuiven van de vloeistof in vaccuum ruimte
Scheiden van weinig vloeistof uit veel gas ⇒ methoden gebruiken van ontstoffing zoals impact vangst, filtreren over
kaarsfilters of over metaalfilters en elektroforetische vangs
Zeven
Principe
Zeven is gebaseerd op he feit dat deeltjes al dan niet door een opening van een welbepaalde afmeting vallen
Ideale zeeroperatie ⇒ voeding wordt gedeelt in 2 fracties
Overloop of rest R → zonder deeltjes kleiner dan de zeefmaas
Doorval D → zonder deeltjes groter dan de zeefmaas
Doel
Triëren: scheiden van grotere objecten (eieren, aardappelen)
Sorteren: scheiden van verschillende stoffen
Classificeren: indelen van eenzelfde stof in verschillende fracties
Gebruik? Vanaf zeven groter dan 25µm, maar liefst voor een goed rendement vanaf 100µm
Bij verstopping met lucht doorblazen
Bij vorming van agglomeraten doen schudden
Droog zeven / nat zeven: afhankelijk vd aard vh fabricageproces zelf
Zetmeel nat zeven → dit product komt tijdens de bereiding als suspensie voor
Bloem droog zeven → om suplementaire droogkosten te vermijden
Zeef-efficiëntie
Stel voeding van F [kg/s] bestaande uit grof materiaal A met massa fractie Xf en fijn materiaal B met massa fractie
(1-Xf) gescheiden door een doorval van D[kg/s] met Xd van grof A en (1-Xd) van fijn B en een rest van R[kg/s] met
Xr van grof A en (1-Xr) van fijn B
1) Massabalans: F = D + R
2) Partiele massabalans naar grot A: F. Xf = D . Xd + R. Xr
1) in 2):
R = F – D ⇒ D / F = (Xf - Xr)/(Xd - Xr)
D = F – R ⇒ R / F = (Xf - Xd)/(Xr - Xd)
Zeef efficientie van grof materiaal A = εa = rest A / voeding A = R. Xr / F. Xf
Zeef efficiëntie van fijn materiaal B = εb = doorval B / voeding B = D ( 1- Xd) / (F (1 – Xf)
De totale efficiëntie is dan ε = εa .εb =
Ideale zeving: Xd = 0; Xr = 1 ⇒ ε = 1
Factoren die de efficiëntie beïnvloeden
Verhouding van de gemiddelde korreldiameter D tov de maaswijdte
De stromingseigenschappen vh materiaal
De beweging vd zeef: zacht of heftig
De laagdikte vh materiaal
Beweging van partikels in een fluïdum
Zie geschreven bladeren
Sedimentatie
Zie geschreven bladeren
Centrifugatie
Zie geschreven bladeren
Stijn Vandelanotte
-19-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Keuze van het type centrifugatie
Grootte vd af te scheiden partikels
Seperators: 1µm – 500µm
Decanter: 5-50µm
Hoeveelheid vaste stof?
Kamercentrifuge: 1% (clarificatie)
Schotelcentrifuge met mantel: 0,5% (clarificatie van vloeistoffen, scheiding vl/vl, extractie van vl)
Schotelcentriuge met zelfreinigd: 10% (clarificatie, ontwateren, extractie, concentratie, separatie)
Nozzle centrifuge: 20% (zie zelfreinigend, zonder extractie)
Decanter: 60%
Continu of discontinu
Type verwijdering: extractie, wasstap, concentratie
Scheiding door filtratie
Wat? eenheidsoperatie waarbij onoplosbare stof afgescheiden wordt uit een suspensie, door de suspensie over een
poreus membraan te brengen, dat deeltjes tegenhoudt aan het oppervlak of in zijn structuur
Gebruikte termen
Voeding = toegevoerde suspensie
Filterkoek = vaste deeltjes
Verwijderde vloeistof = filtraat
Membraan = filtermedium
Types obv vh partikelgrootte
Conventionele filtratie van grof of fijn partikelig materiaal D>1µm)
Microfiltratie D=0,1 – 1 µ m
Ultrafiltratie D = 0,01 – 0,1 µm
Nanofiltratie D tot 1nm
Hyperfiltratie of omgekeerde osmose D = 1 -0,1nm
Types obv medium en suspensie
Zeeffiltratie: filtermedium is een dunne laag en werkt als zeef
Dieptefiltratie: het filtermedium gaat de gesuspendeerde deeltjes door VDW en elektrostatische krachten in zijn
structuur vasthouden
Koekfiltratie: de poriën zijn tot 3 keer groter dan de deeltjes zelf. De gesuspendeerde deeltjes bouwen een
eigenfiltermedium op zodat de filterkoek een bepaalde dikte vormt.
Vooral bij geconcentreerde suspensies
Filtratie kan gebeuren obv
Zwaartekracht = sedimentfiltratie
Druk boven op suspensei = drukfiltratie
Vaccuum onder medium = vaccuumfiltratie
De centrifugaalkracht = centrifugaalfiltratie
Opm:
Zowel filtraat als filterkoek kunnen van belang zijn
Filtratietheorie voor onsamendrukbare filterkoek
Suspensie door filter → koek wordt opgebouwd → weerstand ↑ → filtratiesnelheid ↓
34220(4)
Filtratie snelheid =
/0
Weerstand van de stroom: R = µ . r (Lc + L) (1)
R [1/m] = weerstand, µ is viscositeit, r [1/m²] de specifieke weerstand vd filterkoek
Lc = dikte van de filterkoek en L is de equivalente dikte vh filterdoek en eventuele precoating [m]
Lc = w . V /A (2)
♦ A = De oppervlakte vd filter waarop de koek zich vormt [m²]
♦ V = volume die de filter passeer [m³]
♦ W = het koekvolume per volume-eenheid doorlopen filtraat
(2) in (1): R = µ . R 7
.8
9
+ ;<
De drukval -∆P = drukval door het filtermedium (-∆pm) + drukval door de filterkoek (-∆Pc)
-∆P = -∆pm - ∆pc
Het debiet over de filter is dan bijgevolg
8
9(=∆?)
=
@
+.7.
ABC
<
Filtratie onder constante drukval ⇒ integreren
E
E#
D = #(=∆∆?) . $ + =∆?
Bij constante druk is de snelheid niet echter constant
Stijn Vandelanotte
-20-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Filtratie onder constante snelheid ⇒ druk moet toenemen gedurende de filtratie
Na ingetragie en met dV/dt = V/t of V = (dV/dt). T kan de drukval berekend worden die nodig is om een
bepaalde filtratiesnelheid te behouden
8
8
-∆P = D. μ. G. (H + ;)
9
8
9
8
Of ⇒ -∆P = 7 < ²J1. D + J2. ⇒ hieruit kan men de vereist drukval berekenen voor elke gewenste
filtratiesnelheid
Samendrukbaarheid v/e filterkoek
Wat? het effect dat doordat de filterkoek denser wordt onder de hoge druk en op die wijze de poriën voor vrije
doorgang vd stroming kleiner maakt. Hierdoor zal de koekweerstand R wijzigen met ∆Pc
Bij een onsamendrukbare filterkoek blijft de porositeit ε wel constant
Praktische aspecten
Koek wordt dikker → snelheid ↓
De weerstand is meestal te verwaarlozen tov die vd dikker wordende koek
Deze weerstand wordt zeer groot voor kleine waarden vd diameter vd deeltjes ⇒ heel fijne producten
nauwelijks te filtreren
Oplossing → toevoegen van hulpmiddelen
Hulpmiddelen? Inerte materiaal, met een gemiddelde deeltjesgrootte van 20-50µm
Meestal toevoegen van hulpmiddelen in 2 fasen
1) een voorlaag leggen op het medium (precoat) voordat de eigenlijk filtratie begint
2) het grootste deel gemengd met de voeding
Nadelen: productverlies door absorptie en een extra afvalproduct na het gebruik
Nawassen
Hoeveelheid filtraat in de koek nog aanwezig = Lc . A . ε
Ideaal volume waswater die men zou nodig hebben = Lc . A . ε .. dus het zelfde
In de praktijk heeft men echter iets meer waswater nodig, maar de verschillende nadelen gebruikt men toch het
berekende volume was water → nadelen: tijdsverlies, waterverbruik, productdegradatie
Nadelen van nawassen
Kost ↑
Afvalverwerking
Filter-apparatuur
Bepaald door:
De aard vd suspensie
Waarde vd filtraat of koek
Noodzaak van nawassen?
Kostprijs apparatuur
Meestgebruikte filtratietypes voor filtratie van vaste stof / vloeistof obv partikelgrootte zijn: micro en ultrafiltratie
Cakefiltratie
Plaatfilter→ omschrijving
reeks geperforeerde holle platen afgedekt met een filterdoek
De platen zijn allemaal op een gemeenschappelijke as gemonteerd en volledig ingesloten in een
drukbestendige behuizing
De platen kunnen zowel horizontaal als verticaal geplaatst worden
Schijffilter
Schijven worden ondergedompeld in de te filtereren suspensie
De cake vormt zich aan de buitenzijde vd schijven , daarna drogen
De vloeistof wordt centraal opgevangen, terwijl de cake door lucht of vibraties los gemaakt wordt
De filterkoek wordt met een mes afgeschraapt en opgevangen
Filterpersen (=kamerpersen)
Groot aantal holle platen die evenwijdig staan met een tussenafstand van een paar centimeter
Het filterdoek is overbeide kanten vd platen gespannen
De vloeistof gaat van de buiten kant naar de binnen kant vd platen door het filterdoek
De vaste stof blijft achter op het doek
∆t → ruimte tussen de platen gevuld met koek → filter reinigen
Voordeel: precoating mogelijk, koeken hebben laag watergehalte,
automatiseerbaar, heldere filtraten
Nadeel: moeilijke verwijdering van koek, moeilijke reiniging, de koekvorming
moeilijk visueel te volgen
Stijn Vandelanotte
-21-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Holle vezel filters
De te filtreren vloeistof wordt met een luchtdruk of vaccuumaanzuiging doorheen de vullingen
geperst
Voordeel: gemakkelijke verwijdering vd filterkoek, goedkoop en klein, constante drukval is mogelijk
Nadeel: enkel toepasbaar bij lage concentratie aan vaste stof
Roterende vaccuumfilter
Grote cilinder die draait om een horizontale as
Het filterdoek is over het cilindrisch deel vh oppervlak gespannen
De cilinder draait langzaam door een trog met voeding, in de cilinder is er vaccuum
Vloeistof wordt aangezogen en koek wordt op het filteroppervlak gevormd
Enkel onderste deel zit in voeding, de andere delen worden gewassen, gedroogt
Op het eindpunt wordt de koek afgeschraapt voor hij weer in de voeding komt
Voordeel: continu, eenvoudige verwijdering dankzij wassysteem, eenvoudige toegang
Nadeel: residueel watergehalte in koek, moeilijke reiniging, hoge energiekost (vaccuu
Bandfilter
Vaccuumfilter met continue werking en ook constante drukval
Bandfilter is een soort eindeloze transportband bekleedt met een filterdoek
Werking is erg analoog als roterende vaccuumfilter
Vooral gebruikt in papier industrie
Dieptefiltratie
Doel: zuivering van drink- en industriële water met kleine conc. Aan kleine vaste partikels
de partikels worden verzameld in de massa vh bed, dat af en toe moet gereinigd worden
voorbeeld: zandfilter
verschillende lagen filtermateriaal boven elkaar met totale dikte van 1 – 1,5m
reiniging gebeurt in tegenstroom: water wordt aan hoge snelheid doorheen de bodem
vh bed gestuurd → verzamelde partikels komen los → verwijderen uit systeem
zeeffiltratie: trommelzeef voor suspensies
filtermedium: filtergaas of geperforeerde cilinderwand
vaste stof zet zich vast op filter → filterkoek
Batch; → niet continue
Stopzetten proces → wassen en verwijderen koek ⇒ reiniging filter
Continu
Continue verwijdering cake
Gebruik van transportschroef
De voeding aanvoer is centraal in de trommel
Filtraat gaat door trommelwand
Filterkoek blijft centraal
Verwijdering via transportschroef
De voeding is boven aan de trommel
Filtraat 2 x door filtermedium
Filterkoek op trommel → verwijderen via schraper
Toepassingen: behandeling van afvalwater, suikerindustrie, papierindustrie , ertsverwerking
Centrifugaalfilters: Filtratie oiv de centrifugaalkracht
Stroming vh filtraat door de filterkoek en het filtermedium wordt geinduceerd door centrifugaalkracht
De suspensie wordt aangevoerd in een roterend cilindrisch vat met geperforeerde wand
Aan de binnenzijde vh vat bevindt zich een filtermedium
Het filtraat passeert doorheen de filterkoek en filtermedium en verlaat de centrifuge langs de perforaties in de
wand
Batch centrifugaalfilter
Centrifuge opgehangen aan de metalen staaf, waaraan een vaste behuizing is bevestigd
Suspensie komt de centrifuge binnen → filterkoek op filtermedium aan binnenzijde vd geperforeerde wand
Het filtraat dat in de behuizing terecht komt , wordt afgevoerd onderaan
Om de laatste filtraat restanten te verwijderen kan men de snelheid van roteren opdrijven
Reinigen vd filter kan door achter wasvloeistof toe te voegen en op hoge snelheid te centrifugeren
Continu centrifugaalfilter
Conische geperforeerde wand, die rond een verticale as draait in een stationaire bhuizing
Toepassing: suikerkristallen scheiden uit suikersiroop
Stijn Vandelanotte
-22-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Scheiding door persen
Principe
Wat? mechanische scheiding van vloeistof uit vaste stoffen door het uitoefenen van een drukkracht op dit materiaal
Toepassingen: persen van oliezaden bij winning van tafelolien
Werking
Eerst wordt de lucht weggeperst, daarna de vloeistof
Stroming gebeurt via capillairen en is laminair met een snelheid u = V / (A .t)
De aangelegde drukverschil moet in het begin vrij laag zijn ⇒ anders zouden de capillairen toeslaan
Bepalende factoren bij hoeveelheid en snelheid van de persvocht
Volume verwijderde persvocht ↑ ↔ dikte van de laag ↓ of viscositeit ↓
Persen → T ↑ → viscositeit ↓ , maar door T↑ is er ook kans op degradatie vd producten
Toestellen
Discontinu
Tankpers
Toepassing: vruchtsappen
Opbouw: horizontale cilinder verdeeld door membranen
Gedurende een automatisch gecontroleerde perscyclus wordt aan de ene kan vh membraan vruchtenpulp
toegevoerd en aan de andere kant gecompresseerde lucht
Het sap vloeit door de kanalen
Persen gestopt ⇒ tank draaien ⇒ residue verwijderen
Voordeel: hoge rendementen van goed-kwaliteitssap dankzij de zachte druktoename bij capaciteiten varierend
van 3,6ton tot 25ton
Kooi- of zeefpers
Telkens 2000kg vruchtenpulp of oliezaadmeel in verticale, geperforeerde kooi
De druk wordt gradueel opgedreven en de vloeistoffen worden onderaan de pers opgevangen
Continu
De schroefpers of wringerpers of expeller
Een schroef bevind zich in een vernauwende filter met geperforeerde rand
Het verschil in diameter vd schroef en vd cilinder verkleint ⇒ toegevoerde materiaal wordt steeds meer
samengedrukt
De uitgedreven vloeistof wordt via de wand afgevoerd . het vaste materiaal kan op het einde vd filter verwijderd
worden
Toepassing: winning van plantaardige olien
Rolpers
Meestal opgebouwd uit 3 rollen die het materiaal uitpersen terwijl het door de rollen passeert
Deze rollen kunnen gegroefd zijn
Het droge materiaal wordt vervolgens met een mes afgeschraapd
Toepassing: persen van vezelachtige producten zoals suikerriet en sommige fruitsoorten
2: kooipers
3: rolpers
Stijn Vandelanotte
4: schroefpers
-23-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Hoofdstuk 7A: Verkleinen van het materiaal
Inleiding
Redenen voor verkleinen
Volgende productiestap vergemakkelen
Partikelgrotte eindproduct belangrijk
Bevorderen reacties, fysische processen
Beter menging
Eenvoudige consumptie en verpakking
Breder gamma producten
Gemakkelijker transport
Nadelen
Product wordt niet langer houdbaar
↓ sensorische kwaliteit
↓ nutritionele kwaliteit
↑ energieconsumptie
Textuurwijzigingen
Wijze van verkleinen
Criteria bij classificeren van verkleiningsprocessen
De finale grootte vd partikels
De manier waarop krachten worden aangewend om het product te verkleinen
Types van krachten
Compressiekracht
Impact (slaan, botsen)
Scheurkracht of schuifspanning ~ schuurkracht
♦ Meestal combinaties van verschillende krachten, al is de ene soms belangrijker dan de andere
Types manieren waarop de aangewende krachten de producten kunnen doen verkleinen
Druk vh materiaal tussen 2 of meer oppervlakten (bv het vermalen van materiaal als granen, kruiden)
Schuifspanning voor het fijn malen van zachter, weinig materiaal (bv vlees, fruit, kaas)
Botsing tussen de productdeeltjes of impact tussen partikels en het toestel
Frictie omwille vh feit dat het product zich in een medium bevindt
Homogenisatie van emulsies bv roomijs, ketchup
De kenmerken vd gebruikte apparatuur
Verloop
Product onderworpen aan een kracht → inwendige druk
→ vervorming vd producten
Zolang de vervorming niet boven een bepaalde kritische grens komt,
de elastische stresslimiet (E), komen de grondstoffen altijd terug naar
hun oorspronkelijk toestand als de kracht wordt opgeheven
De aanwezige energie zal vrijkomen als warmte
Druk ↑ → E wordt toch overschreden → permanente vervorming → tot
aan het yield point (Y)
Druk ↑→Y wordt overschreden → product begint te vloeien
Druk ↑ → het breekpunt B ⇒ product valt uiteen
Amper 1 % vd toegevoerde energie leidt tot de eigenlijke verkleining
2 systemen mogelijk bij verkleinen
Open systemen → alle deeltjes worden verkleind, tot ze allemaal kleiner zijn dan een welbepaalde grootte
⇒ sommige deeltjes kunnen hierdoor veel te klein zijn
Gesloten systemen → verkleinen tot een welbepaalde grootte, maar de deeltjes die reeds klein genoeg zijn
worden verwijderd, zodat ze niet verder verkleind worden
Stijn Vandelanotte
-24-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Factoren die het type maalapparatuur beïnvloeden
Invloedsfactoren
Hardheid →
Structuur
Vochtgehalte
Vetgehalte
Temperatuursgevoeligheid → kruiden en hop , kans op vrijstellen van aromatische componenten
Voorkomen dan vooraf goed te koelen → cryogeen malen door toevoegen van N2 of CO2
De hardheid
Wat? de weerstand die het materiaal biedt tegen permanente mechanische vervorming
Hard materiaal → meer energie toevoer nodig voor dezelfde reductie, grotere verblijftijd ⇒ lagere capaciteit
Hardheid van materiaal evalueren via:
De hardheidschaal van Mohs: obv de krasbestendigheid
De Vickersschaal: obvd kracht die nodig is om met een punt of kogel een deuk in het materiaal te maken
Bij het verkleinen van deeltjes met een verschillende hardheid
Kleinste deeltjes komen eerst in de fijne fracties ⇒ aanwezige materiaal kan men sorteren naar hardheid
Structuur
Kristallijne of broos → gemakkelijker breken
Vezelachtige structuur → moeilijk te breken
Vochtgehalte
Te veel vocht (vochtgehalte van 3%)
Samenklitten vd partikels → geen freeflowing
Verstoppen vd molen → capaciteit ↓
Te droog
Stofvorming
Het vetgehalte
Te vet
Samenklitten en verstoppen
Opwarming molen → vetuittreding
Het vermogen v/e maaltoestel
Algemene formule: dE/dD = K. Dn
De wet van Kick → n = -1
Arbeid ↑ ~ toename oppervlakte energie ↑ ~ verandering vd deeltjesgrootte
Formule: E = Kk ln (D1/D2)
Kk = constante van Kick
D1 partikel grootte voor het malen en D2 na het malen
De verhouding D1 / D2 = groottereductieverhouding
⇒ gebruikt om de relatieve kwaliteit vd verschillende apparatuur te evalueren
Gebruik: vooral voor het grofmalen
De wet van Rittinger → n = -2
Energie nodig voor het verkleinen vh materiaal ↑ ~ de verandering in specifieke oppervlakte vd partikels ↑
Formule: E = Kr .7 − <
*#
*
Gebruik: vooral fijne vermaling, als de oppervlaktetoename belangrijk wordt
Verkleiningsapparatuur
Onderscheid in toestellen die het product versnijden en toestellen die het product vermalen
Criteria voor de toestellen
Continu toevoer vd voeding of niet
Continu afvoer of niet
Stofafscheiding vermijden
Variabele verkleiningsgraad
Vervaning van snelslijtende delen
De keuze vh toestel is afhankelijk van
De eigenschappen vh materiaal (hard, vocht, structuur)
De gewenste verkleiningsgraad
De vereiste capaciteit
Stijn Vandelanotte
-25-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Snijden
Gebruikt voor: kneedbare, visco-elastische en elastische materialen
Manier van snijden: tot stukken, sneden, blokjes, vlokken, pulp
Aangewende kracht: vooral wrijvingskrachten
Materiaal om mee te snijden: mes, zaag, schaar, draad
Bij snijden met een mes kunnen twee zones dicht bij de snede onderscheden worden
Zone met plastische vervorming: ligt onmiddellijk onder de snijnhoek
Zone met elastische vervorming: ligt tussen de vorige zone en het eigenlijke product
Keuze toestel bepaald door: type product, staat vh product, gewenste kwaliteit
De meeste apparatuur is product afhankelijk
Voor eenzelfde product zijn er verschillende snijmachines voorhanden die te gebruiken zijn
Voorbeelden van veelvoorkomende snijmachines
De lintzaag
Gebruik: snijden van bevroren producten in rechtste stukken
Voordeel: gemakkelijk verwijderen vd lintzaag voor reiniging of vervanging
De snijmachine (slicer/dicer)
Gebruik: snijden van vlees, ham, worsten, kaas in sneden met dikte van 0,7 – 7 cm
Het product gaat automatisch naar de snijmachine of de snijmachine gaat naar product
Mbv/e dicer worden blokjes afgesneden met gebogen messen die op een rotor zijn bevestigd
De gehaktmolen
Gebruik: voor fijnhakken van producten (vooral vlees, maar ook voor kaas bv)
Omschrijving: cilinder die het product met schroef vooruit duwt naar het einde waar de
cilinder voorzien is van verticale geperforeerde platen met daarachter roterende messen
De cutter
Gebruik: voor mengen, malen en emulsifieren van producten bij het maken van vullingen
voor salami’s en worsten, en ook voor het fijn snijden van groenten en kaas
Omschrijving: cirkelvormige schaal op een verticale rotatie-as. Het materiaal wordt
gesneden door enkele concentrische roterende sikkelvormige messen
Tijdens het snijden kunnen door de verwerking in een schaal, ook nog andere ingredienten worden
toegevoegd die tijdens het versnijden ook nog eens vermengd worden
Malen
Onderscheidt tussen: breken, crushen, malen → obv deeltjes grootte
Breken van materiaal
Proces van energie-absorptie en vrijstelling
Het materiaal accumuleert elastische energie → breuk
Het breken start bij de defecte plaatsen als deze in het materiaal aanwezig zijn, hoe meer defecten, hoe
gemakkelijker het product zal breken
Onderscheidt tussen de maalapparatuur obv het type kracht die wordt aangewend en obv de bewegende delen in de
molen
Tussen 2 bewegende tools
Walsencrusher (compressie, shear)
Walsenmolen (compressie, shear)
Panmolen (compressie, shear)
Vergiet (compressie, shear)
Met één bewegende rotor
Hamermolen (impact, shear)
Kegelbreker (compressie, shear, impact)
Kaakbreker (compressie, shear,impact)
Schijfmolen (compressie, shear, impact)
Pinmolen (shear, impact)
Desintegrator (impact, shear)
Maling via relatieve beweging vd partikels
Straalmolen (impact) en Kogelmolen (shear, impact)
Walsencrusher
Gebruik: malen van grote partikels bij voormalen, of bij malen van koffie of bevrorenproducten
Omschrijving: 2 rollen die in tegengestelde richting draaien
De rollen kunnen bestaan als
zachte rol → crushen obv compressie en shear
met tanden → crushen obv compressie shear en schuurkrachten
voordelen: beperkte stofvorming, gebruik als voormaler, wijde toepasbaarheid (broos, rekbaar, droog, nat)
nadelen: gevoelig voor slijtage, hoge energieconsumptie
Stijn Vandelanotte
-26-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
.Walsenmolen
Gebruik: fijnmalen van granen (5-100µm)
Omschrijving: 2 of meerdere rollen die in gelijke of tegengestelde richting draaien
Na elke maaloperatie volgt een zeefoperatie → te grote deeltjes worden verder gemalen
De rollen kunnen bestaan als
Zacht, gegrift of gegolfd
Capaciteit → regelbaar via toerental
Gladwalsen: walsen met gelijke toerental
Brekerwalsen: walsen met ongelijk toerental
Graanindustrie: Zowel droog als nat malen kan
Droogmalen ⇔ vochtgehalte <= 16%
Natmalen ⇔ vochtgehalte >16%
Voordeel: te combineren met andere processtappen bv olie verwijderen uit graan
Nadeel: slijtage vd rollen
.De panmolen
Gebruik: malen van mineralen, niet in voedingsindustrei
Omschrijving: 2 of 4 zware rollen die rond een as draaien in het
midden v/e pan of waarbij zowel de rollen als de pan draaien
Aangewende krachten: compressie, shear
.Vergiet
Gebruik: fruitverwerking voor vruchtensappen, wanneer het
vruchtvlees dient gescheiden te worden van de huid en de zaden
Types: extractor en desintegrator
Beiden bestaan uit een aantal peddels die dicht bij het oppervlak v/e cilindrisch of
conisch scherm roteren
Extractor: peddels drukken materiaal door zeef
Desintegrator: peddels gecombineerd met malen
In beide gevallen wordt de vaste stof neerwaarts gedrukt, terwijl het zachte materiaal
en de vloeistof doorheen het scherm passeren
Fijnheid vh materiaal: bepaald door het scherm en de afstand tussen de peddels en het scherm
. De hamermolen
Opbouw
Rotor met hamers (T-vormige messen of rechte staven) die zich in een stator bevinden
De wand kan voorzien worden v/e plaat van hard materiaal, de brekersplaat
De kamer heeft onderaan een verwisselbare zeef
Soms is een koelelement aanwezig
Werking
Product → aanvoer in de kamer → door Fc naar de wand vd kamer geslagen → product kan kamer verlaten als
het klein genoeg is om door de zeef te kunnen gaan
Aangewende kracht: vooral impact
Voordelen:
Relatief klein volume
Brede toepasbaarheid naar grootte en type eindproduct
Energievereiste is schappelijk, maar kan ook als nadeel gezien woden
Nadelen
Slijtage
Ontstaan van fijn poeder als bijproduct
Voorvermaling is noodzakelijk voor producten groter dan 4cm
Temperatuurscontrole is noodzakelijk indien gemalen wordt aan hoge snelheid
.De kegelbreker
Opbouw
Concave maalruimte, waarbinnen excentrisch een kegel ronddraait
Door het verkleinen vd afstand tussen de kegel en de wand wordt het materiaal
vermalen
Door het vergroten vd afstand wordt de afvoer vh materiaal verzorgt
Stijn Vandelanotte
-27-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
De .Kaakbreker
Opbouw
Verticale metalen wand (kaak of arm)
Daar tegenover staat een tweede (beweegbare ) kaak gevat op een roterende as
De beweging zorgt voor het malen en ook voor de afvoer van materiaal op een gewenste grootte
Vanaf dat de ze kleiner zijn dan de bodemopening (die ook bepaald wordt door de bewegende arm) vallen
ze in een opvang bak
.Schijfmolen
Aangewende kracht: schuurkracht
Types
Één-schijfmolen: voeding wordt centraal aangevoerd.
Zowel stationaire als bewegende schijf zijn gegroefd
Fijngemalen materiaal kan via het scherm onderaan de molen
verlaten
Twee-schijfmolen: beiden roteren in tegengestelde richting
De voeding wordt bovenaan aangevoerd en passeert tussen de twee
schijven , alvorens te worden ontladen via de zeef
De schijven kunnen glad als gegroefd zijn
Ze werken continu
Om temperatuursstijgingen te vermijden kan koude lucht doorheen de molen
geblazen worden
Gebruik: vooral voor malen van zachte tot middelmatige materialen
Bv: rijst, mais, suiker, kruiden, cacao
.De pin of stiftmolen
= variant op schijfmolen en bestaat eveneens uit een stator en rotor, beiden
voorzien van messen of pinnen
Voeding aanvoer gebeurt centraal
De grootte vd gemalen materialen hangt af vd afstand tussen de schijven en van de poriën grootte vd zeef onderaan
de molen. ⇒ geschikt voor vermalen tot fijne en zelfs zeer fijne partikels
Er kan ook een koeling voorzien worden via een mantel of door aanvoeren van koude lucht
Aangewende kracht: impact en shearkrachten
.Kogelmolen
Opbouw
Roterende cilinder gevuld met metalen of porseleinen slijtvaste kogels
Werking:
Centrifugatie → kogels rollen over materiaal → botsingen en wrijvingen → materiaal wordt verkleind
De maalbeker kan ook schudbewegingen uit voeren om de verkleiningsefficientie te verhogen
De kritische snelheid wordt bepaald als de zwaarte kracht die de kogels doet vallen opgegeven wordt door de Fc
veroorzaakt door de ronddraaiende beweging van de trommel
m . g = m . ω² . r = m . (2πN)².r (met N = toerental en D = diameter kogel, m = massa kogel)
hieruit kan het toerentaal N bepaald worden
meestal wordt echter 75% vd kritische waarde als effectief toerental gekozen
. Straalmolen
Principe
De partikels botsen tgv een luchtstroom aan een hoge snelheid tegen de wand van een maalkamer of tegen
elkaar ⇒ materiaal wordt verkleind door impact tussen individuele partikels en met de wand vd maalkamer
De luchtstroom bestaat uit lucht onder druk of superhete stoom
Na het maalproces worden lucht en partikels gescheiden via een cycloon
Gebruik: vooral bij harde materialen die een fijne vermaling vereisen
Voordelen
Fijne vermaling
De relatief beperkte oppervlak die het toestel inneemt
Toepasbaar voor harde materialen
De lage werkingstemperatuur
Nadelen
Capaciteit is te beperkt
Hoge energievereiste
Toepassingen
Tarwevermaling, mais, chocoladeproductie, koffiebonen
Stijn Vandelanotte
-28-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Hoofdstuk 7B: Het vergroten van materiaal
Inleiding
Principe: samenklitten van afzonderlijke deeltjes → nieuw (groter) product
Bij agglomeratie → vaste deeltjes samen brengen hoofdzakelijk door fysische krachten
Doelstellingen
Bij agglomeratie: partikels vormen van bepaalde grootte en porositeit, die sterk genoeg zijn om verhandeld te
worden en eenvoudig gedispergeerd kunnen worden wanner ze in vloeistoffen gebruikt worden
Betere eigenschappen dan de afzonderlijke deeltjes
Eenvoudiger transport
Eenvoudigere verhandeling
Betere stromingseigenschappen
Geen of minder stofvorming
Minder explosiegevaar
Betere deeltjesgrootteverdeling → minder ontmenging
Toevoegen van andere gradienten mogelijk
Agglomeratie
Bepaald door krachten tussen gelijkaardige of verschillende materialen (cohesie, resp. adhesie) aangebracht
door compressie of extusie
Gewenst
Het vergrootte product kan onmiddellijk geconsumeert worden of dient verder verwerkt te worden
Ongewenst
Klontervorming ⇒ homogeniteit vh product wordt vernietigd
Vloeibaarheid van poeders of granen kan negatief beïnvloed worden
Vrije aglomeratie
vaste deeltjes gaan samen klitten
vloeibare materie wordt vast en klit samen
kristallisatie , drogen, bakken ,vriezen
compressie
adhesiekrachten tussen de vaste partikels veroorzaakt door de voorgenoemde krachten, behalve de
elektrostatische krachten
via bindmiddel
door hoge smelttemperaturen
Principe van vergroten
Kleine deeltjes → sterke onderlinge aantrekkingskracht → conglomeraatvorming
Verhogen vochtgehalte → conglomeraatvorming ↑ → te hoog vochtgehalte → conglomeraatvorming ↓
2 basismethodes om agglomeraten te vormen
Vrije structurering
Adhesiekrachten tussen de vaste partikels door
Materiaalassociatie → bruggen gebouwd tussen partikels omwille van capillaire krachten en adsorptie
Niet-materiaal associatie → aanwending van VDW krachten en elektrostatische krachten
vorm gerelateerde associatie → in geval van vezels of gevlochten materiaal
compressie
adhesiekrachten tussen de vaste partikels veroorzaakt door de voorgenoemde krachten, behalve de
elektrostatische krachten
Bindmiddel
Doel: Sterkte ↑ en betere homogeniteit
Bij levensmiddelen: water is meest toegepast
De primaire deeltjes kleven aan elkaar oivh toegevoegde vocht → deeltjes vormen kernen → groei door
coalescentie of door botsing met andere primaire deeltjes als deze een snelheid hebben die groot genoeg is, en
als de kracht waarmee de deeltjes aan een oppervlak vastgehecht worden groot genoeg is
Groei is eerst zeer gering en stijgt geleidelijk
Het vochtgehalte heeft een minimum als maximum grens
Te laag: gevormde structuren zijn broos
Te hoog: soort pasta of deeg wordt gevormd
Naast water kunnen ook volgende bindmiddelen gebruikt worden
KH, polypeptides, zetmeel en zetmeelderivaten
Concentratie in combinatie met roersnelheid experimenteel te bepalen
Stijn Vandelanotte
-29-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Voor en nadelen
Voordelen
Vorming nieuwe producten
Invloed op de porositeit vh materiaal ⇒ mogelijkheid tot absorptie van verdere substantie
Invloed op densiteit vh product ⇒ helpt bij de scheiding van partikels in vloeistoffen of beinvloedt de bezinking
Mengen met andere ingredienten mogelijk
Gebruik van bijproducten en reductie van stofvorming en vervuiling
Invloed op de oplosbaarheid
Nadelen
Verminderde sterkte (belang bij verhandelen)
In geval van slechte agglomeratie ⇒ breuk of verstopping
Gewijzigde (ongewenste ) eigenschappen
Verhoogde kost
Gewijzigde stockage vereisten
Theoretische benadering
Vorming van granulen vanaf dat het oppervlak nat genoeg is ⇒ verzadigingsgraad S moet hoog genoeg zijn
S = verhouding vd aanwezige hoeveelheid water tot de maximaal mogelijk aanwezige water
Formule: S = X . (1-εs)/(ε . ρw)
X = vochtgehalte, ε porositeit, ρs = dichtheid vd vaste stof, ρw dichtheid van water
S mag niet gelijk zijn aan 1 ⇒ anders zwemmen de deeltjes in het vocht
Een waarde van 0,9 is gangbaar
Als een binder wordt toegevoegd dan blijkt ε te stijgen met de concentratie vd binder
Apparatuur
Algemeen
Agglomeratie door vrije structurering
Gebruik van: → belang van bindmiddel is zeeer groot!
Trommels → vergroten tijdens roteren of via schudbewegingen in een (open) ketel of (gesloten) trommel
menger→ vergroten door intensief schudden
drogers
Agglomeratie op basis van druk
tabletteren → vergroten door het persen van poeders of granulen in speciale vormen
rolpersen → samen persen mbv 2 identieke rollen die in tegengestelde richting draaien
pelletiseren → persen van materiaal doorheen een matrijs (deze bepaald de uiteindelijke vorm vd agglomeraten)
Keuze apparatuur afhankelijk van
Grootteverdeling vd partikels
Vorm
Hardheid
Oplosbaarheid
Dispergeerbaarheid
Mogelijkheid tot toevoeging bindmiddel
Agglomeratie via vrije structurering
Roterende pannen en trommels
Principe: Product wordt voortdurend omhoog en naar beneden gestuwd
Open systeem = pan → voordelen:goede procescontrole, eenvoudig onderhoud en reiniging, batch en continu
Gesloten systeem = trommel → nadeel: grotere kans op onregelmatige verdeling vd agglomeraten grootte
Trommelbouw:
A) deze kan zelf roteren
B) voorzien zijn van peddels die het materiaal dan traag mengen
C) schudden
Mengers
Principe: product wordt in schudtoestel gebracht, waar de deeltjes door een rotatie aan hoge snelheid gedurende
enkele minuten gemengd worden, dus een korte tijd → vooral bacht
Typische vormen van schudapparatuur: peddels, ploegmessen, helixen
Product wordt voortdurend heen en weer geslingerd, terwijl het bindmiddel continu en egaal wordt verspreidt
Andere types gebruik makende van fluidisatie vd kleine granules in een gasstroom
Bed van vaste deeltjes → onderaan lucht inblazen → toevoegen bindmiddel → vorming agglomeraten
Drogers (Rewet Agglomeration)
Droog materiaal samenvoegen met nat poeder vh zelfde materiaal ⇒ beiden mengen
Bindmiddel is hier overbodig
Stijn Vandelanotte
-30-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Agglomeratie obv druk
Minder belangrijk in voedingsprocessen, eerder in de zoetwarenindustrie en extrusie van flakes, pellets en pasta
Vaak toegepast in diervoeder industrie
Tabletteren
Kenmerkend is: productie van gecomprimeerde producten met welbepaalde specificaties : vorm, dichtheid
Werking: Het poeder wordt in vorm gebracht en samengedrukt tussen 2 zuigers → 3 stadia tgv druktoename
o 1) verkrijgen van een dichtere pakking ⇒ verwijderen van lucht
o 2) deformaties vd deeltjes ⇒ vormen van deeltjes
o 3) compressie
Toepassing: snoepgoed, farmaceutische industrie
Rolpersen
Opbouw: 2 persen draaiend in gelijke of tegengestelde richting, die glad of gestructureerd zijn
Voordeel: capaciteit is hoger dan bij tabletteren
Nadeel: mindere kwaliteit
Werking: Poeder wordt tussen de twee rollen gebracht → wrijving neemt poeder mee → compressie
Toepassing: vorming van corn flakes
Pelletiseren
2 types: Pelletisers en extruders
o Pelletiseren of korrelpersen → vormproces waarbij het product gecomprimeerd wordt doordat het door
een zeef of rollen met fijne openingen wordt geduwd
Veel gebruikt in diervoeders industrie
o Extrusie → vergroten vd deeltjes doordat het mengsel via een schroef doorheen een geperforeerde
plaat of doorheen een speciale maasvorm geperst wordt
Evaluatie van vergroten of verkleinen
Hoe? Adhv de deeltjes grootte en de deeltjesgrootteverdeling
Het bepalen van deze parameters is gebaseerd op
Zeven: D>25mm
Sedimenteren: <50mm
Microscopisch onderzoek
Het specifiek oppervlak S (m²/m³) is belangrijk omwille vd reactiviteit vd deeltjes
Deze kan bepaald worden door het meten vd stromingsweerstand v/e gas door het materiaal (zie fluidisatie)
Stijn Vandelanotte
-31-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Hoofdstuk 8: Mengen van materialen
Inleiding
Wat? het samenvoegen en ruimtelijk homogeen verdelen van verschillende stoffen tot een graad van uniformiteit
Doel
Bekomen v/e homogeen gemend eindproduct van verschillende stoffen in een bepaalde verhouding
Bevorderen v/e reactie
Versnellen vd warmte-overdracht tussen stoffen tijdens en door het mengen
Inbouwen structuur in levensmiddel
Mengen biologische grondstoffen of voedingsmiddelen → aantal aspecten verschillend van industriële mengingen
Mengen wordt op zich vaak gebruikt om de gewenste productkenmerken te ontwikkelen, eerder dan
homogeniteit te verzekeren
Meestal proces met meerdere componenten en in verschillende hoeveelheden
Het kunnen producten met hoge µ zijn of niet-Newtoniaanse vloeistoffen
Sommige componenten kunnen broos zijn ⇒ beschadiging bij overmenging
Het is dus belangrijk een juiste keuze te maken van: capaciteit, mengingsgraad en mengtijd
Mengen van vaste stoffen
Meten vd vermenging
Volledige uniformiteit is niet mogelijkheid
Bereikte mengingsgraad is afhankelijk van
Relatieve deeltjesgrootte , vorm en dichtheid
Vochtigheidsgraad
Oppervlaktekenmerken
Efficiëntie menger
Methode om de verandering in samenstelling te bepalen en dus het mengproces te evalueren ⇒ Mengindex
Aantal stalen nemen → grootte vh staal is belangrijk
Tijdens het mengen: de afwijking van de samenstelling vh genomen staal tov de gemiddelde samenstelling vh
gehele mengsel is dan een maat voor het mengproces
De afwijking ↓ → hoe verder het mengproces vordert
Statistisch wordt deze afwijking weergegeven door σm → schatting voor σm is de standaarddeviatie s
s=M
=
∑(N − ̅ )²
♦ n = totaal aantal stalen
♦ x1, x2 … fracties van component x in het 1e , 2e staal
s² = variantie vd samenstellingen vd verschillende fracties tov de gemiddelde samenstelling
Mengingsgraad en mengindex
Beschouw een mengsel uit een fractie p aan component A en een fractie q aan component Q (p+q = 1)
Start: nog niet gemengd
Een staal bestaat uit ofwel puur P of puur Q
Een groot aantal stalen nemen
→ fractie p vh aantal stalen bevat enkel component P
♦ afwijking van deze stalen tov het gemiddelde samenstelling kan dan voorgesteld worden als (1-p),
gezien het dan een fractionele samenstelling component P gelijk aan 1 (Xp = 1)
→ fractie q vh aantal stalen bevat enkel component Q, of een fractionele samenstelling van 0 aan
component P (Xp = 0)
♦ De afwijking tov het gemiddeld kan dan voorgesteld worden als (0-p)
Sommering van de fractionele samenstellingen aan component P voor n stalen levert dit:
σ0² = PQ. R. (1 − R)# + (1 − R). Q. (0 − R)# S = R(1 − R)
met σ0² = de standaardafwijking voor 1
menging
Mengsel wordt zorgvuldig gemend ⇒ verdeling vd verschillende componenten ⇒ dan is de kans dat een
willekeurig gekozen partikel een component Q is gelijk aan q en (1-q) dat het niet Q is
Als dit uitgebreid worde naar stalen die N partikels bevatten : σ²∞= p. (1-p) / N = σ0²/N
♦ Hier wordt verondersteld dat de partikels dezelfde grootte hebben en dat elk partikel ofwel uit
puur P of puur Q bestaat
Stijn Vandelanotte
-32-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
De mengindex wordt gegeven door
M = (σm - σ∞ )/(σ0 -σ∞)
σ0 = standaardafwijking voor menging
σm = standaardafwijking op willekeurig moment
σ∞= standaard afwijking nadat de gewenste homogeniteit is bereikt
Voor het mengen: σm = σ0 ⇒ M = 1
Na het mengen: σ∞ = σm ⇒ M = 0 → dit kan echter nooit perfect zijn, al kan wel M wel zeer klein gaan
In praktijk worden nog 2 mengindexen gebruik
M2 = (log σm - log σ∞)/(log σ0 - log σ∞)
M3 = ( σ²m - σ²∞)/( σ²0 - σ²∞)
M1 gebruiken als ongeveer gelijke massa’s van beide componenten gemengd worden
M2: bij kleine hoeveelheid vh ene component in een veel grotere hoeveelheid
M3: mengen van vloeistoffen of vaste lichamen op een gelijkaardige manier aan M1
Mengsnelheid
Afhankelijk van: materie en temperatuur
Formule: ln M = - K . tm
K = mengconstante en is experimenteel te bepalen ifv materiaal en apparatuur
Mengtijd
Partikels met gelijkaardige grootte, vorm en dichtheid ⇒ aanleiding tot een uniformer mengsel
Ontmenging kan ook!
Door onderlinge verschillen in eigenschappen
Na te lange tijd mengen
Uniformiteit vh eindproduct afhankelijk van
Het evenwicht bereikt tussen de mechanismen van mengen en ontmengen
Bepaald door type menger
Proces condities
Aard van de componenten
De index voor ontmengen is I ⇒ I + M = 1
Gebruikt als men van theoretisch homogene mengsels tijdens verdere behandeling de ontmenging wil aantonen
Oorzaken voor ontmening
Door verschil in zwaartekracht
Door vibraties tijdens de verdere behandelingen (bv transport)
Door elutriatie (luchtverplaatsing)
Premixen
Moeilijk te mengen → gebruik van premixen
Wat? voormengsel met meer gelijkaardige eigenschappen
Hierbij kan een carrier of dragermateriaal gebruikd worden
Ook als te kleine hoeveelheden v/e bepaalde stof dienen gemengd te worden
Theoretische evaluatie vd menging
Hoe? Door controle op de verdeling van een vd componenten of v/e toegevoegde tracer
Werking
Na bepaalde mengtijd op verschillende plaatsen in de menger stalen nemen en verdeling controleren
Beoordeling vd resultaten kan op verschillende manieren
Men kan stellen dat de menging voldoent indien de bekomen spreiding kleiner is dan 5% → ok
Men kan stellen dat mengen tot tijdstip t+1 enkel zin heeft indien de standaardafwijkingen vd monsters
genomen op tijdstip t en deze op tijdstip t+1 significant verschillend zijn
Mengapparatuur voor vaste stoffen
Keuze afhankelijk van
Gewenste mengingsgraad
Gewenste mengingstijd
Beschikbaar vermogen
Vereiste capaciteit
Discontinu vs continu
Discontinu geeft een niet-stationair mengprofiel ↔
Bij discontinu rekening houden met dode tijd: leeg en vul tijd↔
Discontinu stelt hogere eisen voor arbeidskrachten↔
Stijn Vandelanotte
-33-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Discontinue mengapparatuur
De mengtrommel
De trommel draait rond een centrale as
De mengbaarheid is te verhogen door het aanbrengen van schoepen op de centrale as
Schroefmengers, lintmengers en dubbele lintmengers
Vooral horizontale mengers . Belangrijk dat ze goed gevuld zijn opdat de menging optimaal zou verlopen
Meestal cilindervormige trommels met een of meerdere roterende schroeven of linten
Het ene lint beweegt in de ene richting , de andere in de andere richting
Dubbele kegelmenger
Horizontale cilinder met aan elk uiteinde een kegel
De cilinder draait rond de horizontale as
Slechts gedeeltelijk gevuld
V- of Y-menger
Zelfde principe als dubbele kegelmenger
V- of Y-vormige menger die rond een horizontale as draait
Verticale schroefmenger
Met archimedesvijs centraal in een vat, dat meestal conisch uitloopt
De vijs veroorzaakt centraal een verticale beweging vh materiaal
Er is kans op dode hoeken
Nauta menger
Ondervangt het probleem vd dode hoeken die kunnen optreden bij verticale menger
De schroef staat hier niet centraal maar beweegt langs de wand van de conische cilinder terwijl hij rond zijn
eigen as draait
Continue mengapparatuur
Algemeen
Aanvoer van Stof A en B komen samen in 1 leiding
Mening grijpt plaats door de kracht vd voortbeweging en door de opgewekte richtings verandering agvd
eventueel aangebracht dwarsschoten en spieralen
De voorwaarden voor continue mengers zijn
Precieze dosering, makkelijk te mengen stoffen
Menging moet te verwezenlijken zijn in aanvaardbare verblijftijd
Andere toepassingen
Schroef, lint en andere mengers worden teruggevonden bij bereiding van:
Cake- en soepmengsels, menen van granen vooraleer ze ze malen, mengen van bloemen al dan niet met
insluiting van additieven
Mengen van laag- en medium viskeuze stoffen
Goede menging van weinig vloeistof in een overmaat vaste stof door het verstuiven vd vloeistof:
Over een voorbijschuivende dunne laag vaste stof
In een fluidizeerd bed van vaste stof
In een pneumatische getransporteerde vaste stof
Gedurende het mechanisch mengen v/e vaste stof
Indien de hoeveelheid vloeistof overweegt → 2 types
Mengen van laag- en medium viskeuze vloeistoffen via impellers
Hoog-viskeuze vloeistoffen en pasta’s met impellers en kneders
Natuurlijke vs kunstmatige mening
Mengen door:
Convectiestromingen (bv temperatuurs verschil)
Circulatiestromingen
Via roerders, Injectie lucht, pompsystemen
Continue menging van twee laag-viskueze vloeistoffen bewerken door ze op turbulente wijze te laten samenstromen
in een Y-vormige verbinding
Batch-menging van vloeistoffen kan verwezenlijkt worden door rondpompen vd vloeistof via een extern circuit,
injectie van lucht of met mechanische roerders
Bij mengen is de energiedensiteit ε belangrijker dan het vermogen P
ε = P.T/V
Stijn Vandelanotte
-34-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Principe
Impeller of waaier mixer = meest gebruikte menger voor laag-viskeuze vloeistoffen
Mixer bestaat uit een of meerdere impellers op een roterende staaf die inde vloeistof gedompeld zijn
Roteren → stromen worden gevormd → vermenging
Er zijn 3 snelheidscomponenten die door een mixer geinduceerd worden in een laag-viskeuze vloeistof
A) een longitudinale snelheid
B) een rationale snelheid
C) een radiale snelheid
Om efficiënt te zijn moeten A en C die overgedragen worden naar de vloeistof maximaal zijn door het
aanbrengen van tussenschotten of door plaatsen van niet-centrale mixeropstellingen
Een vortex moet verhinderd worden!!!!
De rakende vloeistoflaages met een gelijke snelheid langs elkaar heen bewegen en er is geen inmenging!
De vloeistof draait gewoon rond de mixer
Oplossing: keerschotten, schuine mixers, niet centrale mixers zorgen voor de nodige turbulentie en zorgen
ervoor dat de cortexvorming tot een minimum wordt herleid
Apparatuur
Blad of plaatroerders
Tangentiele stroming
Roerder steeds centraal
Roerder bestrijkt 50-80% vh vat
Goede menging in vlak vd plaat, niet in de asrichting
Eventueel meerdere platen op as
Laag toerental: 0,5 – 2 /s
Bij te viskeuze vloeistoffen wordt soms geen goede menging bekomen
Turbine roerders
Radiale stroming
Rotor met schoepen met bepaalde geometrie
Schoepen werken als centrifugaalpomp, de vloeistof wordt centraal aangezogen en radiaal opgestuwd
Snelheid tvm propellor
Mengen kan bevorderd worden door keerschotten aan te brengen
Zeer efficiënt voor de dispersie van vloeistoffen met een verschillende dichtheid en viscositeit
Schroefroerders of propellers
Hoog toerental: 10-25 toeren/S
Roerder bestrijkt slechts 25-35% vd vatdoorsnede
Is de roerder centraal geplaatst ⇒ kans op vortex beweging ⇒ nadelig (slechte menging, luchtmenging)
Voorkomen door:
A) roerder excentrisch te plaatsen
B) Keerschotten aan te brengen aan wand
C) meerdere roerders op de verticale as plaatsen
Roersnelheid
Roerders kunnen ingedeeld worden obv hun toerental
Roerders met een klein roerblad werken vaak bij hoog toerental: turbines, schroefroerders
Roerders met een groot schroefblad bij laag toerental: ankerroerders , helixen
De afschuifsnelheid, die verwezenlijk wordt door een roerder in een mengtank, is het grootst in de onmiddelijke
buurt vh roerwerk en neemt lineair af met de afstand
Belang: vooral bij het ontwerp vd roerders voor de bereiding van emulsies
Bij Newtoniaanse vloeistoffen → µ = cte want onafhankelijk vd afschuifsnelheid
Bij niet-newtoniaanse vloeistoffen → µ ≠ cte → beïnvloeding vh mengproces
Snelheid vd impeller met diameter d ter hoogte vd tip vh roerblad wordt de tipsnelheid genoemd
Vp = d . N π
Dit is een maatstaf voor de mengintensiteit en is lager dan 2m/s voor lage mengintensiteit, 2-5m/s voor
middelmatige en 5-15m/s voor hoge mengintensiteit
Parameter belang: vooral wanneer abrasieve of fragiele producten moeten behandeld worden
Stijn Vandelanotte
-35-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Mengen van hoog viskeuze vloeistoffen en pasta’s
Werking
Probleem → het is niet mogelijk om stromen te creeren zoals bij laag viskeuze vloeistoffen → er is een direct
contact nodig tussen de te vermengen componenten en de mengelementen zelf
De mengelementen moeten het volledig mengvat bedienen of omgekeerd
Kenmerken van de mengers
Robuuster
Lagere roersnelheid
Mengtijd hoger
Kleinere verwerkingscapaciteit
Hogere energieconsumptie
Mengen kan in batch of continu
Types: peddelmengers, kneders en schroefmengers
Werkingsprincipe gesteund op:
Groot roerbladoppervlak → vloeistof voldoende momentum mee geven
Dilatante vloeistoffen mengen mogelijk → dit kan dankzij hun lage afschuifsnelheid
Apparatuur
Pendelmengers
Types: Ankermengers, Poortmengers, Anker-poortmengers
Diameter roerders ≈ diameter tank
Geschikt voor vloeisotffen met viscositeit tot 100 Pa.s
Kneders
Types: kneders waarbij enkel de kneedelementen roteren en kneders waarbij de kom als de kneedelementen
roteren
Bij de Z-blad menger → Z vormige bladen bewegen naar elkaar toe met gelijke of verschillende snelheid
Menging ontstaat door shear tussen de bladen en de bladen en het vat
Bij continue systemen wordt een draaiende wormschroef gebruik
Aan het uiteinde wordt het pastamateriaal door een geperforeerde plaat of zeef geperst
Toepassingen
Pendelmengers en kneders vooral gebruikt bij: mengen van degen, mengen van boter, margarines en kookvet, bereiding
van kaas en smeerkaas, bereiding van vispasta’s en vleespasta’s
Mengen van vaste stof en gas
Definities
Grijpt plaats bij basisprocessen als
Fluidisatie: drogen en invriezen
Pneumatisch transport
Gas door granulair, opgestapeld materiaal sturen → wrijving en kinetische verliezen → over het opgestapelde
materiaal ontstaat een drukverschil evenredig met de gassnelheid → gassnelheid ↑ →∆P ↑ → op een bepaald
moment is ∆P = gewicht vd laag materiaal per eenheidsoppervlak
Rustige fluidisatie: het punt waarop de korrels zich schikken → ze zweven en rusten niet op elkaar
Gassnelheid v ↑ → ∆P blijft vanaf nu constant , maar porienvolume ↑ en de beweging vd deeltjes wordt heviger
→volledige fluidisatie
Gasnelheid v ↑ → materiaal zal met de gasstroom afgevoerd worden , met een sterke daling van ∆P
⇒pneumatisch transport
Fluidisatie kan uitgevoerd worden met een gas of vloeistof als drager, industrieel is gasfluidisatie echter belangrijkst
Minimumsnelheid voor fluidisatie
Berekenen vanaf het moment waarop fluidisatie intreedt
∆P is afkomstig van 2 factoren die overwonnen moeten worden
⇒Overwinnen ∆P = ∆Pw + ∆Pe = de wrijvingsverliezen + de kinetische energieverliezen
De minimumfluidisatiesnelheid zal afhankelijk zijn vd aard vd stroming, maw vh Reynoldsgetal
REp = D . ρ . v / µ
Bij laminair regime (Re <10) vooral wrijvingsverliezen van belang
Bij turbulent regime vooral kinetische energieverliezen van belang
De minimumsnelheid is dus de minimum gassnelheid nodig om fluidisatie te veroorzaken
Is deze te hoog ⇒ pneumatisch transport tot gevolg
Gewenst: afscheiden van stof uit granen → stof is licht en wordt met luchtstroom meegevoerd
Ongewenst: productieverlies → pneumatisch transport vermijden → opleggen maximumsnelheid!
Stijn Vandelanotte
-36-
Agro-ingenieurstechnieken: theorie
Mengtemperatuur
Een fluidisatiereactor bestaat uit
Een verticale cilinder
Aan de ingang voorzien v/e poreuze bodemplaat die de gasverdeling bevorderd
Aan de uitgan een cycloon om de uittredende deeltjes te vangen (stofopvang)
Toepassingen:
Invriezen van losse partikels
Drogen van granulaire bakkersgist
Het ontwerp vd apparatuur voor fluidisatie is afhankelijk vh doel van aanwending en wordt gekarakteriseerd door:
De dwarsdoorsnede, die zelf in functie is vd experimenteel bepaalde noodzakelijke snelheid
De hoogte , die in functie is vd laagdikte en de materiaal expansie
Een goede fluidisatie is bijgevolg functie van
De dichtheid vd deeltjes
De geaardheid vd deeltjes
De grootte vd deeltjes (20-2000µm)
De grootte verdeling vd deeltjes
Het optreden van preferentiele stroming kan nadelig zijn omdat bijgevolg de contacthomogeniteit daalt en bv tijdens
een droogproces de temperatuursverdeling ongelijkmatig kan verlopen
Belangrijkste voordelen van fluidisatie
Intense menging: grotere homogeniteit vd vaste fase dan bij statisch opgestelde materiaal
Een snelle en goed warmte overdracht
Een groot contact oppervlak
Mogelijke nadelen van fluidisatie
Erosie, slijtgage vd apparatuur of duurder beschermend materiaal gebruiken
Verlies van fijne deeltjes moet tegengegaan worden
Mengen v/e vloeistof en een gas
Men onderscheid systemen waarbij het gas de continue fase is en de vloeistof de dispersie fase is , en omgekeerd
Toepassingen:
luchtbevochtiging, toevoer van gas in fermentatoren, stofverwijdering, koeling of drogen van oplossingen,
verstuiven van fytofarmaceutische producten, slagroom, roomijs
carbonatie van alcoholische dranken en softdrinks
Apparatuur voor het mengen v/e vloeistof in een gas
doel voor het mengen v/e vloeistof in een gas is de creatie v/e groot vloeistof oppervlak
types
drukverstuivers:
vloeistof wordt onder druk door fijne openingen geperst
de energie om het drukverschil te overbruggen is afkomstig vd aanvoerpomp
samengestelde drukverstuivers = 2-fluid-verstuivers
vloeistofstroom wordt oiv/e gecomprimeerde lucht of gasstroom door een opening geperst
hoog energie verbruik
verhouding lucht/vloeistof hoog
centrifugaatlverstuivers
vloeistof wordt aangevoerd via roterend geperforeerd wiel
de snelheid waarmee de verstuiver ronddraait en de groote van het wiel bepalen de partikelgrootte
de vloeistof wordt agvd wrijving zeer fijn verdeeld en over de rand vd schijf verstoven
Mengen van gassen
dit proces grijpt plaats, mits inductie van turbulente stromingen
dit kan bv mbv: ventilatoren, door injectie van een vd gassen
voorbeelden zijn:
mengen van een brandbaar gas met lucht in een branderinstallatie
mengen v/e warm gas met koude lucht in een drooginstallatie
mengen van vochtige lucht met droge lucht bij luchtconditionering
Mengen van 2 onmengbare vloeistoffen: emulsifieren
emulsifieren? Een mengoperatie, waarbij 2 of meer onmengbare materialen gemengd worden.
De meeste emulsies bevatten 2 fasen
Een waterfase met zouten en suikers in oplossing of andere organische en colloidale substanties
= hydrofiele materialen
Een oliefase die oliën, vetten, KWS, waxen en harsen bevat
= hydrofobe materialen
In de meeste gevallen worden aan deze mengsels emulgatoren toegevoegd ⇒ dit leidt tot stabiele emulsie
Stijn Vandelanotte
-37-