خشک کردن در صنعت

مقدمه

خشک کردن جامدات یکی از قدیمی ترین و رایج ترین نوع عملیات واحدی است که در صنایع مختلف از جمله کشاورزی، سرامیک ، شیمیایی ، غذائی، داروئی، کاغذ ، چوب ، معدن، پلیمر و نساجی کاربرد دارد این پدیده جزء ناشناخته ترین و پیچیده ترین عملیات واحدی است که وجود دارد. چرا که با توجه به گوناگونی مواد و رفتارشان نکات مبهم و مهمی را به همراه داشته که هنوز بعضی از این نکات روشن نشده اند علاوه بر این چون مدلسازی و توضیح ریاضی آن باید همزمان برای هر سه پدیده انتقال که شامل انتقال حرارت ، جرم و اندازه حرکت است (برای بیش از یک فاز) تدوین شود و معادلات مربوطه به دست آید این عمل معمولاّّ بسیار مشکل و پیچیده خواهد بود از این رو عملیات خشک کردن معمولاّّ ترکیبی از علم و تکنولوژی و هنر در نظر گرفته می شود و هنر در پدیده خشک کردن در این است که باید بتوان از مشاهدات تجربی و تجربیات فرایندی در طراحی و انتخاب خشک کن ها استفاده نمود.

تعریف : Drying Process

معمولا” عمل خشک کردن به عملیاتی گفته می شود که درآن یک مایع توسط تبخیر از جامد جدا می شود یعنی ابتدا آن را به بخار تبدیل کرده و سپس به راحتی جدا می کنند.

ولی جداسازی همین رطوبت به روش مکانیکی مثل فشردن ، سانتریفوژ را نمی توان خشک کردن به حساب آورد البته معمولا” قبل از یک مرحله خشک کردن یک عمل رطوبت زدایی مکانیکی وجود دارد و این جداسازی رطوبت توسط عملیات مکانیکی آسانتر و ارزانتر از استفاده از روش های حرارتی است .

در پاره ای موارد به جای حرارت از اشکال دیگر انرژی نظیر میدان امواج رادیوئی ، فعل و انفعالات شیمیایی و …. جهت تبخیر مایع استفاده می شود مایعی که در حین خشک کردن تبخیر می شود همیشه آب نیست امکان دارد از نوع حلالهای فرار و مواد قابل اشتعال و حتی سمی باشد.

مواد خشک شونده

انواع بسیاری از مواد وجود دارند که باید خشک شوند و اغلب این مواد دارای خواص فیزیکی و شیمیایی متنوعی هستند همچنین روشهای فراوان و متفاوتی برای خشک کردن این مواد و رساندن حرارت به آنها وجود دارد طبقه بندی همه روشهای خشک کردن موجود کاری بسیار مشکل است.

1- بلورهای مواد آلی یا معدنی و مواد دانه ای شکل (معمولا” در مخلوطها ) که غالبا” بزرگتر از یک میلیمتر هستند.( Granules )

2- مواد جامد متخلخل نظیر ذرات لاستیک مصنوعی( Crumbs )

3- خمیرها و موادگلی شکل حاصل از فیلترها و سانتریفوژها (Sludge )

4- پودرهای سیالی که معمولا” کوچکتر از 200 میکرون بوده و امکان دارد که در حالت مرطوب بطور نسبی سیال باشند و در حالت خشک همچون گردو غبارند (Free Flowing Powder )

5- مایعات غلیظ یا دوغابها ( Slurries )

دوغابها باید بدون جداکردن مواد جامد مرطوب آن خشک شوند.

6- مایعاتی نظیر محلولهای حاصل از استخراج، امولسیون ها و تعدادی از محلولهای دیگر.



در صنعت خشک کن های گوناگون موجود است که اکثرا” قادرند فقط یک دسته از مواد مرطوب مذکور در بالا را خشک نمایند که طراح باید این مسئله را در نظر بگیرد.

مکانیزم های انتقال حرارت

در خشک کن ها حرارت اکثرا” بصورت جابجایی و یا هدایت منتقل می شود در اکثرخشک کن ها بخش کمی از حرارت از طریق تشعشع انتقال می یابد.

وسائلی که برای انتقال حرارت بطریق جابجایی یا هدایت بکار برده می شوند بطور طبیعی امکان خارج کردن بخار را فراهم می آورند در حالیکه در انتقال حرارت به طریق تشعشع که نیازی به این وسائل نیست امکان خارج نمودن همزمان بخار از سیستم وجود ندارد به این علت است که انتقال حرارت تشعشعی در بیشتر موارد عامل اصلی نیست.

خشک کردن از طریق هدایت با خشک کردن از طریق جابجایی اندکی تفاوت دارد. در حالت هدایت مواد جامد مرطوب در محفظه ای که از بیرون حرارت داده می شود قرار داده شده و بخارهای حاصله از سوراخی که در نظر گرفته شده، خارج می شوند. معمولا” فشار محفظه را پائین نگه می دارند تا نیروی محرکه حرارتی افزایش یابد.

در حالت جابجایی گاز داغ بر روی سطح مواد جامد مرطوب دمیده می شود و در نتیجه هم منبع حرارتی تأمین می شود و هم امکان خارج نمودن بخار فراهم می گردد.

در مدتیکه عمل خشک کردن در یک خشک کن هدایتی صورت می گیرد شدت خشک کردن معمولا” بطور یکنواخت کاهش می یابد که ناشی از کاهش انتقال حرارت از جداره خشک کن به مواد جامد در حال خشک شدن می باشد،

در خشک کن ها یک ضریب کلی انتقال حرارت از منبع حرارتی به مواد جامد در حال خشک شدن در نظر می گیرند.

×فرض: دمای مواد جامد در حال خشک شدن را می توان نقطه جوش مایع یا محلول در نظر گرفت.

شدت خشک شدن در یک خشک کن هدایتی به سرعت انتقال جرم بستگی چندانی ندارد ولی این موضوع به معنای عدم وابستگی شدت خشک شدن به خواص ماده نیست.



در حالت انتقال حرارت از طریق جابجایی که با حالت هدایت خیلی فرق دارد ضریب انتقال حرارت در مجموع بالاست و در طول پروسس خشک کردن تغییر زیادی

نمی کند محدودیت شدت خشک شدن در این حالت تا حدود زیادی متأثر از ضریب انتقال جرم است .

در این حالت خشک شدن در دو مرحله متفاوت صورت می گیرد.

1. Constant rate drying

در خشک شدن با شدت ثابت زمان عملیات بوسیله انتقال حرارت به مواد کنترل می شود روند آن قابل پیش بینی بوده و کم و بیش مستقل از کیفیت مواد عمل می کند.

2. Faling rate drying

در خشک شدن با شدت نزولی عملیات بوسیله انتقال جرم محدود شده و به خواص مواد در حال خشک شدن بستگی دارد و روند آن قابل پیش بینی نیست. در یک خشک کن جابجائی بخش قابل ملاحظه ای از زمان خشک شدن صرف عمل خشک شدن با شدت نزولی می شود. نقطه ای که در آن تغییر از خشک شدن با شدت ثابت به شدت نزولی صورت می گیرد رطوبت بحرانی نامیده می شود و تابعی است از هر دو عامل خشک شدن با شدت ثابت و انتقال جرم.

خشک شدن با شدت ثابت به شرایط خارجی و شکل هندسی خشک کن بستگی دارد.انتقال جرم به خواص ماده خشک شونده وابسته است.

عامل اصلی در خشک شدن انتقال جرم از مواد جامد مرطوب می باشد که این انتقال خود به عواملی از قبیل؛ اندازه ، شکل و حالت ذرات تشکیل دهنده مواد جامد و چگونگی خروج مایعات و بخارها از منافذ و خلل و فرج داخل مواد جامد و سطح خارجی آنها بستگی دارد.

روشهای خشک کردن

1-خشک کردن با استفاده ا زانتقال حرارت جابجایی

در این حالت مواد جامد مرطوب بوسیله عبور جریان گاز داغ از لابه لا و یا از روی سطح بستر مواد خشک می شوند. گاز داغ هم بعنوان عامل انتقال حرارت از طریق جابجایی و هم بعنوان خارج کننده بخارات حاصل عمل می کند اگر گاز داغ در دما و رطوبت ثابت وارد سیستم گردد ملاحظه می شود که پروسس خشک کردن در دو مرحله مجزا صورت می گیرد در ابتدا شدت خشک شدن ثابت بوده و سپس در یک مقدار مشخص بتدریج کاهش می یابد تا وقتی که به صفر می رسد و این هنگامیست که مواد کاملا” خشک شده اند به این مقداررطوبت Critical moisture constent می گویند.

برخی مواقع امکان دارد مقدار رطوبت اولیه کمتر از مقدار رطوبت بحرانی باشد در اینصورت عمل خشک کردن تماما” در مرحله شدت نزولی بوده و در هیچ مرحله ای ثابت نیست.

مرحله خشک شدن با شدت ثابت در حالتی اتفاق می افتد که سطح مواد جامد بوسیله مایع مرطوب شده و خشک شدن در سطح مواد صورت می گیرد در این حالت شدت خشک شدن کلا” توسط شرایط خارجی کنترل می شود که این شرایط در حالت انتقال کنوکسیونی شامل موارد ذیل هستند :

ü- دمای گاز خشک کننده

ü- مقدار رطوبت گاز خشک کننده

ü- سرعت گاز خشک کننده

در خشک شدن با شدت نزولی میزان انتقال مایع به سطح کاهش یافته بطوریکه به عامل تعیین کننده زمان خشک شدن تبدیل می شود پس تأثیر شرایط خارجی کم می شود و کاهش شدید خشک شدن صرفا” مربوط به کاهش شدت انتقال مایع به سطح می باشد.مقدار رطوبت بحرانی بیانگر حد فاصلی است که در طی آن شدت انتقال مایع به سطح برابر با شدت تبخیر از سطح می باشد و در محاسبات از مقدار متوسط آن استفاده می شود.

 

2- خشک کردن به طریق انتقال حرارت هدایتی (خشک کردن تماسی)

در این روش گرما بصورت هدایتی به جسم در حال خشک شدن انتقال می یابد این انتقال گرما می تواند توسط جدارهای یک سیلندر، صفحات داخل یک برج و یا دیواره های یک خشک کن باشد.

میزان گرمای انتقال یافته به ماده در حال خشک کردن نه تنها به ضریب هدایت حرارتی جداره خشک کن بستگی دارد بلکه به ضریب انتقال حرارت از جسم در حال خشک شدن به انتقال دهنده حرارت نیز وابسته است مهمترین موادی که بعنوان انتقال دهنده استفاده می شوند عبارتند از بخار آب، مایعات آلی ، فلزات مایع و سایر ناقلان حرارت.

 از آنجا که همه حرارت منتقله برای تبخیر رطوبت موجود در جامد از داخل لایه ماده جامد در حال خشک شدن عبور می کند بنابراین بازده حرارتی در این روش خیلی بیشتر از خشک کردن