بررسي عملكرد خشك كن انجمادي به كمك شبيه سازي عددي

Investigation of Freeze Dryer Performance Using Numerical Simulation

يك مدل رياضي براي فرايند خشك‌كن انجمادي توسعه يافته است كه در آن براي نخستين بار ابعاد و مشخصات چگالنده نيز درنظر گرفته شده است. براساس اين مدل نرم افزار شبيه ساز در محيط MATLAB نوشته شد و كارايي آن در مقايسه با داده‌‌‌هاي تجربي خشك كردن سوسپانسيون 20 درصد جامدات شير به دست آمده از يك خشك كن انجمادي آزمايشگاهي با موفقيت، مورد آزمايش قرار گرفت. از اين نرم افزار براي تعيين تاثير مشخصات خشك‌كن بر مدت هاي مراحل اول و دوم خشك‌شدن استفاده شد. براساس نتايج شبيه سازي، مدت زمان مرحله اول با توان دوم ضخامت لايه خشك شونده متناسب است در حالي كه مدت مرحله دوم وابستگي ضعيف تري به ضخامت دارد. اثر دماي چگالنده بر مدت هاي مراحل اول و دوم، ناخطي است. اين تاثير، با افزايش دماي محفظه خشك‌كن كاهش يافت به طوري كه در دماي بالاتر از 255 درجه كلوين در مرحله اول و بالاتر از 330 درجه كلوين در مرحله دوم مدت خشك شدن، مستقل از دماي چگالنده مي شود. همچنين در شرايط شبيه سازي، كاهش سطح انتقال گرماي چگالنده از 2 به 5/0 متر مربع به ازاي هر كيلوگرم آب جداشده در مرحله دوم، موجب افزايش مدت خشك شدن از 11 ساعت به 12 ساعت مي شود.

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.