بررسی عملکرد خشک‌کن انجمادی به کمک شبیه‌سازی عددی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی شیمی دانشگاه اراک

2 عضو هیئت علمی مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی اصفهان

3 عضو هیئت علمی گروه مهندسی شیمی دانشگاه اراک

چکیده

یک مدل ریاضی برای فرایند خشک‌کن انجمادی توسعه یافته­است که در آن برای نخستین بار ابعاد و مشخصات چگالنده نیز در­نظر گرفته شده­است.  براساس این مدل نرم­افزار شبیه­ساز در محیط MATLAB نوشته شد و کارائی آن در مقایسه با داده‌‌‌های تجربی خشک کردن سوسپانسیون 20درصد جامدات شیر به­دست آمده از یک خشک­کن انجمادی آزمایشگاهی با موفقیت، مورد آزمایش قرار گرفت.  از این نرم­افزار برای تعیین تأثیر مشخصات خشک‌کن بر مدت­های مراحل اول و دوم خشک‌شدن استفاده شد.  براساس نتایج شبیه­سازی، مدت زمان مرحله اول با توان دوم ضخامت لایه خشک شونده متناسب است در حالی­که مدت مرحله دوم وابستگی ضعیف­تری به ضخامت دارد.  اثر دمای چگالنده بر مدت­های مراحل اول و دوم، ناخطی است.  این تأثیر، با افزایش دمای محفظه خشک‌کن کاهش یافت به­طوری­که در دمای بالاتر از 255 درجة کلوین در مرحله اول و بالاتر از 330 درجة کلوین در مرحله دوم مدت خشک شدن، مستقل از دمای چگالنده می­شود.  همچنین در شرایط شبیه­سازی، کاهش سطح انتقال گرمای چگالنده از 2 به 5/0 متر­مربع به ازای هرکیلوگرم آب جداشده در مرحله دوم، موجب افزایش مدت خشک شدن از 11 ساعت به 12 ساعت می­شود. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Freeze Dryer Performance Using Numerical Simulation

چکیده [English]

A mathematical model was developed for freeze drying in which the dimensions and specifications of the condenser were considered for the first time. An appropriate program was written using MATLAB to solve model equations and simulate the process. The software successfully simulated the drying data of a suspension of 20% milk recorded in a lab scale freeze dryer. The simulator was then used to investigate the effect of dryer specifications on the timing of primary and secondary drying stages. The results showed that primary drying time is proportional to sample thickness squared, but the secondary drying time is less dependent. Condenser temperature nonlinearly affects both drying times. Dependency weakens with an increase in drying chamber temperature and eventually disappears at chamber temperatures above 255K for primary and 330K for secondary stages. The results also showed that a decrease in the condenser heat transfer area from 2 to 0.5 m2 per kg of initial water will increase secondary stage drying time from 11 to 12 hours.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Condenser
  • Freeze dryer
  • Mathematical Model
  • Milk
  • simulation
  • Software
Flickinger, M. F. and Drew, S. W. 1999. Encyclopedia of Bioprocess Technology. John Wiley­& Sons.

Francis, F. J. 2000. Food Science Technology. Second Edition, Vol.1, JohnWiley & Sons.

Goldblith, S. A., Rey, L. and Rothmayr, W. W. 1975. Freeze Drying: Advanced Food Technology. Academic Press, London.

Liapis, A. I. and Bruttini, R. 2008. A mathematical model for the spray freeze drying process: The drying of frozen particles in trays and in vials on trays. Int. J. Heat and Mass Transfer. 52, 100-111.

Lide, D. R. 2005. Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press.

Litchfield, R. J. and Liapis, A. I. 1979. An adsorption-sublimation model for a freeze dryer. J. Chem. Eng. Sci. 34, 1085-1090.

Mascarenhasa, W. J., Akayavby, H. U. and Pikal, M. J. 1997. A computational model for finite element analysis of the freeze-drying process. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 148, 105-124

Mellor, J. D. 1978. Fundamentals of Freeze-Drying. Academic Press, London.

Mujumdar, A. S. 2006. Freeze Drying. In: Hand book of Industrial Drying. Taylor & Francis Group LLC.

Oetjen, G. W. and Haseley, P. 2004. Freeze-Drying. Second Edition. WILEY-VCH.

Shahdad, M. 2009. Simulation, Optimization of Freeze Dryer. M. Sc. Thesis, Arak University. (in Farsi)

Sheng, T. R. and Peck, R. E. 1975. Rate for freeze drying. AIChE J.73,124.

Sandall, O. C., King, C. J. and Wilke, C. R. 1967. The relation between transport properties and Rates of freeze-drying of poultry Meat. AIChE J.13,428.

Zamzow, W. H. and Marshall, W. R. 1952. Freeze drying with radiant energy. Chem. Eng. Prog. 48, 21–32.