Aplicación y desarrollo de equipos de secado por aspersión en la producción láctea.

En la producción láctea de mi país, la leche en polvo representa aproximadamente el 80% de la producción total debido a su facilidad de almacenamiento y transporte. El proceso de secado es uno de los pasos más cruciales en la producción de leche en polvo; La cantidad de agua evaporada durante el secado es casi equivalente a la calidad de la leche en polvo producida. Generalmente, el proceso de producción determina el equipo de producción y el sistema de control, pero la aplicación de equipos y sistemas de control avanzados también puede alterar el proceso de producción. La aplicación de equipos de secado por aspersión en la producción de leche en polvo es un ejemplo típico.

El proceso de secado por aspersión implica bombear material a un secador por aspersión, donde un atomizador lo dispersa en pequeñas gotas. Luego se introduce aire caliente en la cámara de secado para mezclarlo y entrar en contacto con las gotas de material. Después del secado, el producto seco se separa y se almacena o se utiliza directamente. La leche en polvo producida mediante secado por aspersión es un producto en polvo uniforme, lo que elimina la necesidad de procesos adicionales de secado, enfriamiento y pulverización. Puede envasarse directamente como producto terminado, lo que permite una producción mecanizada, continua y a gran-escala. Además, la temperatura superficial más baja del material mejora la calidad del producto de leche en polvo. Por lo tanto, los equipos de secado por aspersión desempeñan un papel importante en la producción de leche en polvo y existe una tendencia a secar productos con un contenido de humedad cada vez mayor. Sin embargo, el secado por aspersión es un proceso que consume mucha-energía-. Debido a los altos requisitos de calidad después del secado y la necesidad de fluctuaciones mínimas en el contenido de humedad, es esencial un control estricto de los parámetros operativos, como la temperatura de secado. Por lo tanto, la correcta selección del equipo de secado por aspersión y el diseño racional de su sistema de operación y control son cruciales para garantizar la calidad del producto y la conservación de energía. Esto no sólo contribuye al progreso tecnológico y al desarrollo de la industria láctea de mi país, sino que también impulsa el progreso tecnológico y el desarrollo de otras industrias, contribuyendo en mayor medida al despegue económico-del país.

1. Desarrollo de equipos de secado por aspersión en la producción de la industria láctea

El equipo de secado por aspersión se utilizó por primera vez en la industria de la leche en polvo en 1901, pero su aplicación práctica en la producción de leche en polvo no comenzó hasta la década de 1920, y no fue hasta finales de la década de 1940 que comenzó a usarse en mi país. La estructura más antigua era del tipo caja de presión (horizontal), con atomización del material mediante un método de dos-fluidos, lo que daba como resultado un alto consumo de energía. En 1958, el Ministerio de Industria Ligera promovió el secado por aspersión a presión a pequeña escala-impulsado por animales-para la producción de leche en polvo en la provincia de Heilongjiang. En 1955, la fábrica de lácteos Harbin Songhua River utilizó por primera vez el secado por aspersión centrífugo para producir leche en polvo. Ambos tipos de equipos de secado por aspersión en ese momento tenían estructuras de fondo plano-y la producción de polvo era intermitente, lo que requería una salida manual una vez por turno.

A mediados de la década de 1960, apareció en el equipo de secado a presión tipo caja una estructura de fondo cónico con un dispositivo de salida de polvo en espiral (sinfín). El primer secador por aspersión a presión vertical con múltiples boquillas se desarrolló a principios de la década de 1970. Su aparición redujo el volumen efectivo de los secadores por aspersión a casi la mitad y eliminó la necesidad de un sinfín, lo que permitió una salida continua de polvo. En la década de 1980, se produjo un secador por pulverización a presión vertical de una sola boquilla. Su aplicación en la industria de la leche en polvo fue un factor clave para promover el progreso tecnológico en la industria de la leche en polvo de mi país, sentando las bases para su rápido desarrollo.

2. Características del equipo de secado por aspersión

Los equipos de secado por aspersión generalmente vienen en tres tipos: presión, centrífugo y flujo de aire. Los secadores por aspersión a presión ofrecen alta intensidad de secado, tamaño más pequeño, menor inversión en equipos e ingeniería civil, partículas de producto más pequeñas y mayor densidad aparente. Para la leche en polvo con una densidad aparente de aproximadamente 0,165, el tiempo de secado es particularmente corto, solo 10-30 segundos, lo que la hace adecuada para la producción de materiales-sensibles al calor. Por lo tanto, en la industria de la leche en polvo y otras industrias, muchos secadores por aspersión centrífugos se han convertido en secadores por aspersión a presión. Los secadores por aspersión a presión también consumen menos energía. Los secadores por aspersión centrífugos generalmente tienen un diámetro mayor y una altura menor, lo que resulta en una menor intensidad de secado en comparación con los secadores por aspersión a presión. Producen partículas de mayor tamaño y se adaptan a una gama más amplia de materiales; en general, los materiales adecuados para secadores por pulverización a presión también lo son para secadores por pulverización centrífugos. Los secadores por pulverización centrífugos son adecuados para materiales con mayor viscosidad. La pulverización con flujo de aire, también conocida como pulverización de dos-fluidos, utiliza el movimiento de alta velocidad de vapor o aire comprimido (normalmente 200 a 300 m/s) para crear una alta velocidad relativa entre el gas y el líquido. La película líquida se forma en filamentos y luego se rompe en finas gotas. El aumento repentino de la superficie permite un rápido intercambio de calor y masa con el aire caliente, vaporizando la humedad y produciendo un material seco en polvo. Es adecuado para una gama especialmente amplia de materiales, pero consume una gran cantidad de energía. Generalmente, este método se evita siempre que se puedan utilizar otros métodos de pulverización. Para la atomización con flujo de aire, el material debe calentarse a una temperatura adecuada para minimizar su viscosidad; por lo tanto, la pulverización con flujo de aire es adecuada para materiales con mayor viscosidad.

3. Tendencias de desarrollo de equipos de secado por aspersión

Desde la perspectiva de la producción industrial a gran-escala, la conservación de energía y la reducción del consumo, los equipos de secado por aspersión deben ser verticales, a gran-escala, continuos y automatizados. Este tipo de operación es la más razonable. Operación continua significa que la pulverización es continua, es decir, tanto la alimentación como la descarga son continuas. En términos de escala, se adopta el equipo apropiado según los diferentes tipos de producción. Generalmente, en la industria alimentaria, la tendencia es hacia sistemas de boquillas múltiples-a gran escala, mientras que en la industria farmacéutica, la escala es generalmente menor. Al igual que otros equipos, la selección del equipo de secado por aspersión y la combinación de sus componentes internos deben adaptarse a los materiales que se procesan. Se debe maximizar la intensidad de secado del equipo, es decir, la cantidad de humedad secada por unidad de volumen por unidad de tiempo, minimizando así el tamaño del equipo de secado por aspersión y minimizando la inversión en equipo y en ingeniería civil.

311. Método de distribución de aire caliente

La distribución de aire caliente en los equipos de secado por aspersión es un aspecto crucial. El método de introducción de aire caliente afecta significativamente el rendimiento general del equipo de secado. Un método adecuado de introducción de aire caliente no sólo garantiza una mezcla más completa y eficaz de las gotas y el aire caliente, mejorando así la eficiencia del intercambio de calor, sino que también aborda eficazmente el secado de ciertos materiales especiales, evitando que el material se pegue a las paredes y al techo. Los secadores por aspersión a presión tradicionales a menudo empleaban una estructura reguladora de aire de tipo manga-. El aire caliente se reguló a través del manguito y luego se distribuyó al cilindro interior del secador por pulverización. Este tipo de equipo era relativamente grande. Ahora, la distribución de aire con placa de tamiz multicapa se usa más comúnmente, ya que es más pequeña y, por lo tanto, se aplica más ampliamente. En los secadores por aspersión a presión que funcionan en un flujo en paralelo, la velocidad del aire caliente que ingresa al conducto es de aproximadamente 9 m/s. En los secadores por aspersión contracorriente o con escape superior-, la velocidad del aire que ingresa al conducto debe ser apropiadamente mayor. Los secadores por aspersión centrífugos generalmente emplean distribuidores de aire caliente. El aire caliente ingresa al cuerpo principal del secador por aspersión a través de un distribuidor de aire de voluta y una placa guía, y el aire caliente gira en la misma dirección que el atomizador centrífugo. Las principales funciones del distribuidor de aire caliente en los secadores por aspersión centrífugos son tres: introducir el medio de secado (aire caliente) en la torre de secado para que entre en contacto con el material a secar, completando la tarea de secado; seleccionar una estructura ideal para asegurar una mezcla completa del medio caliente introducido y el material que se seca, logrando una alta eficiencia de intercambio de calor; y para reducir o evitar el fenómeno de que ciertos materiales se peguen a las paredes o a la encimera. Con el desarrollo de la tecnología de secado por aspersión, los distribuidores de aire caliente se mejoran constantemente.

312. Forma de escape de la torre

En los secadores por aspersión co-corrientes, generalmente se utiliza escape inferior. En los secadores por aspersión a presión, el diámetro del equipo aumenta en la parte superior de la sección cónica de la torre, y cuatro conductos de escape están dispuestos uniformemente en la zona anular, que luego convergen hacia un colector de polvo. Alternativamente, se pueden instalar cuatro filtros de bolsa directamente en la parte superior de la zona anular, y luego los conductos de escape convergen en la entrada del ventilador de escape. Actualmente, los secadores por aspersión a presión suelen utilizar sistemas de escape superiores-. El aire caliente ingresa a la torre desde arriba y el material también se rocía dentro de la torre desde arriba. Cuatro tubos de escape están distribuidos uniformemente alrededor de la sección circular de la torre, y luego los gases de escape se recogen y descargan a través de un colector de polvo. Este tipo de secador por aspersión tiene una temperatura de calentamiento del aire caliente relativamente alta, una alta intensidad de secado, un volumen de torre más pequeño y menores costos de equipo e ingeniería civil.

Los secadores por aspersión centrífugos generalmente tienen sus tubos de escape que salen de la sección cónica de la torre y luego al colector de polvo. Esto maximiza el volumen efectivo de la torre del secador por aspersión sin afectar la producción normal de polvo, minimizando el volumen total.

313. Limpieza de equipos

Los secadores por aspersión importados generalmente no tienen este dispositivo y en su lugar utilizan métodos de limpieza. Los secadores por aspersión domésticos generalmente consideran este problema. Las paredes de la torre del secador por aspersión a presión generalmente se limpian usando un recolector de polvo tipo placa colgante-, que es seguro, confiable y proporciona una limpieza profunda. Sin embargo, la sección cónica de la torre debería tener una puerta de limpieza para la limpieza exterior. La torre de un secador por aspersión centrífugo generalmente se limpia usando una barredora de polvo de elevación tipo empuje-, que proporciona una limpieza profunda. Después de barrer, la barredora de polvo se puede mover fuera de la torre a través de la puerta de la torre.

La torre de un secador por aspersión generalmente está equipada con un dispositivo de torre vibratoria para evitar que el material seco se adhiera a la pared de la torre. Por lo general, esto utiliza varios martillos-neumáticos o eléctricos, programados con una secuencia de vibración específica. Los martillos neumáticos-son mejores que los eléctricos, pero requieren aire comprimido.

314. Eliminación de polvo del equipo

Los secadores por aspersión generalmente utilizan un proceso de eliminación de polvo-de dos etapas. La primera etapa utiliza una separación ciclónica para la eliminación de polvo y la segunda etapa utiliza un filtro de bolsa. En la producción de leche en polvo, la tela filtrante del filtro de bolsa es generalmente de malla 130, mientras que en la producción de proteína en polvo, generalmente se requiere malla 200-240. La eliminación de polvo-en una sola etapa también se utiliza a veces en la producción de leche en polvo. En la producción de secado por aspersión de proteína de soja y proteína aislada, generalmente se envía aire caliente a la torre de secado desde la parte superior y el material también se pulveriza desde la parte superior. Tanto la descarga de polvo como el aire de escape ingresan al colector de polvo-separador ciclónico desde la salida de polvo. Después de que el material se descarga del separador ciclónico, un soplador Roots lo transporta al silo de polvo. Los gases de escape ingresan a un filtro de mangas para recolectar el polvo antes de ser descargados a la atmósfera. El polvo fino se envía al silo de polvo junto con el polvo descargado del ciclón. La presión del aire de los ventiladores de entrada y extracción en los equipos de secado por aspersión utilizados para la producción de proteína en polvo es generalmente mayor que la de los ventiladores de entrada y extracción en los equipos de secado por aspersión utilizados para la producción de leche en polvo. La coincidencia del volumen de aire es la misma que la del equipo de secado por aspersión utilizado para la producción de leche en polvo, siendo el volumen de aire del ventilador de extracción un 30% mayor que el volumen de aire del ventilador de entrada. Hay tres razones para esto: primero, el ventilador de entrada sopla aire a temperatura ambiente, mientras que el ventilador de extracción descarga aire caliente, lo que genera una mayor tensión en el volumen de aire. En segundo lugar, durante el secado por aspersión, se utiliza un vacío de 0,1147 kPa en la torre de secado, lo que facilita el descenso suave del material y reduce las salpicaduras. En tercer lugar, la humedad se vaporiza durante el secado por aspersión, que también ocupa un cierto volumen.

El polvo fino del separador ciclónico y la cámara del filtro de mangas se devuelve a la torre mediante un soplador Roots para la aglomeración del polvo fino, aumentando el tamaño de las partículas y la solubilidad.

Las bolsas filtrantes del filtro de mangas generalmente se hacen vibrar mediante un método de retrolavado por impulsos, que es más caro y consume más aire comprimido. Actualmente, generalmente se emplea un mecanismo de vibración alternativa que utiliza un cilindro, enclavándose la vibración con el cierre de la válvula de mariposa reguladora de aire. Esto permite la vibración instantánea de la bolsa filtrante sin escape, lo que resulta en un bajo costo y buen rendimiento.

315. Descarga de polvo del equipo

La descarga de polvo del equipo de secado por aspersión es continua, conectada a un lecho fluidizado vibratorio a la salida de la torre de secado. Esto permite el secado secundario del material en polvo, seguido de la aplicación de lecitina u otros saborizantes. Esto amplía la capacidad del equipo de secado por aspersión, mejora la calidad del producto y permite el enfriamiento oportuno del material después del secado secundario, llevando el producto a un estado listo para el envasado directo, reduciendo así significativamente el riesgo de contaminación antes del envasado.

4. Sistema de control del proceso de secado

La naturaleza rápida del proceso de secado por aspersión es crucial para un control eficaz. Actualmente, la investigación sobre la teoría y la práctica del control del secado, tanto a nivel nacional como internacional, se encuentra todavía en sus primeras etapas y carece de estudios exhaustivos y sistemáticos. Con base en el análisis del proceso productivo, la aplicación de tecnología de control automatizado en el proceso de secado de leche en polvo tiene como finalidad:

(1) Evitar la inestabilidad de la operación del equipo causada por la operación manual intermitente, logrando así una producción continua y estabilizando el proceso de operación del sistema multivariable y altamente no lineal de secado por aspersión;

(2) Al introducir un sistema de control automatizado, al tiempo que se garantiza la calidad y la producción del producto, minimizar la cantidad de puntos de adquisición de señales en línea del sistema de control y reducir la influencia innecesaria entre variables;

(3) Ahorre mano de obra, reduzca el tiempo de inactividad causado por factores humanos y acorte el ciclo de trabajo;

(4) Mediante el correcto preajuste de los parámetros de cada variable en el sistema de control automatizado, permitir que todo el sistema funcione en el estado óptimo, maximizar la eficiencia del propio equipo y lograr el propósito de ahorro de energía y reducción del consumo;

(5) Mejorar la calidad del producto y minimizar los costos de operación y gestión.

Los principales indicadores para evaluar el éxito de la aplicación de equipos de secado en condiciones de proceso específicas son el rendimiento y la calidad del producto seco, así como la distribución del tamaño de las partículas, la apariencia y el contenido de humedad final del producto. La producción del producto está determinada por el rendimiento económico de la carga de producción, el calor proporcionado por el generador de aire caliente, la intensidad de secado del secador, el caudal de aire caliente y el contenido de sólidos en la suspensión. Muchos factores influyen en la calidad del producto: el tamaño y la apariencia de las partículas están determinados por el rendimiento del proceso del equipo de secado y los parámetros de preparación de la lechada, mientras que el contenido de humedad final está directamente relacionado con la selección de parámetros como la temperatura de entrada del aire caliente, la temperatura de salida de los gases de escape y la presión negativa dentro de la torre de secado.

Los equipos de secado por aspersión han revolucionado la producción de leche en polvo. Sin embargo, el equipo de secado por aspersión no es una solución universal. Su estructura y forma de atomización, estructura de la torre, distribución de aire, escape, recubrimiento en polvo, método de descarga de polvo, combinación con otros equipos de proceso y diseño del sistema de control automático deben ser adecuados para los materiales que se procesan. Sólo así, con el desarrollo de los tiempos y el continuo progreso de la ciencia y la tecnología, los equipos de secado por aspersión podrán adaptarse a una gama más amplia de requisitos de secado de materiales y hacer una contribución cada vez mayor al desarrollo y construcción de la economía nacional.