Agro-ingenieurstechnieken: theorie Hoofdstuk 1: Inleiding

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 ↓ 3  42 2

  0  (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-