دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

گروه مهندسی شیمی گرایش طراحی فرآیندهای صنایع نفت

پروژه کارشناسی ارشد

عنوان:

مدلسازی ریاضی و تعیین پارامترهای موثر در فرآیند خشک کردن ضایعات سبزیجات در خشک کن دوار

چکیده

دفع ضایعات کشاورزی و مواد دور ریختنی صنایع غذایی خصوصا سبزیجات یکی از معضلات و مشکلات بزرگ زیست محیطی جوامع امروزی گردیده است. فرآیند خشک کردن یکی از راه حل های کارآمد به منظور کاهش حجم این مواد و تبدیل آنها به موادی قابل استفاده و مفید برای خوراک دام و یا تقویت کننده خاک می باشد. در این پایان نامه در ابتدا به ارائه مفاهیم، اصول و روابط حاکم بر فرآیند خشک کردن، همچنین بررسی خشک کن دوار و سپس به مدلسازی ریاضی دینامیکی این خشک کن جهت رطوبت زدایی از ضایعات سبزیجات پرداخته می شود. این خشک کن به 10 واحد تقسیم شده و برای هر واحد موازنه ماده و انرژی نوشته می شود. نتایج تئوریکی حاصل از این مدلسازی با نتایج تجربی یک خشک کن نیمه صنعتی با خوراک دهی مشابه مقایسه شده و اعتبار این محاسبات مورد تایید قرار می گیرد. با استفاده از این مدل میزان رطوبت و دمای هوا و ماده در مسیر خشک کن قابل پیش بینی می باشد. در انتها مشخص می گردد که دمای هوای ورودی به همراه جریان حجمی هوا بیشترین تاثیر را بر روی فرآین خشک شدن ایفا می کنند.

فصل اول

1-1- مقدمه

در بازارهای عمده فروشی میوه و تره بار حجم عظیمی از مواد ارگانیکی باقی می ماند که قسمت اعظم و مشکل ساز آن اضافات سبزیجات می باشد چرا که به خاطر رطوبت زیاد دارای حجم ویژه بالایی می باشند. خشک کردن و تبدیل این اضافات به مواد مفیدی همچون خوراک دام، تقویت کننده خاک و یا به عنوان منابع پروتئینی در عوض سوزاندن و یا جمع آوری آنها در زباله دان های بسیار بزرگ راهکاری مناسب به شمار می آید. خشک کنهای دوار عموما در صنایع شیمیایی و دارویی مورد استفاده قرار می گیرند اما در صنایع کشاورزی نیز برای خشک کردن موادی همچون یونجه و خمیر چغندر از آنها استفاده می گردد. با توجه به خصوصیات این نوع خشک کن که قابل استفاده برای مواد ناهمگن، چسبناک و موادی که حرکت آنها به سختی انجام می گیرد می باشد، خشک کن دوار خشک کنی مناسب برای اضافات سبزیجات محسوب می شود.

این نوع خشک کن به واسطه نوع ساختارش فرآیند پیچیده ای دارد که ناشی از انتقال گرما و حرکت ذرات درون آن می باشد. مطالعات زیادی برای مدل کردن خشک کن دوار در حالت پایا انجام گرفته است که از جمله پیشگامان این راه می توان میکلستاد را نام برد، وی اولین کسی بود که در سال 1963 برای محاسبه میزان رطوبت در طول خشک کن دوار برحسب دمای هوای خشک کردن، میزان رطوبت اولیه و نرخ خوراک رابطه ای ارائه کرد. در سال 1964 شارپلز، گلیکین و وارن یک مدل پایا ارائه کردند که در آن از 4 معادله دیفرانسیل حاصل از انتقال حرارت، انتقال جرم، بیلان جرم و بیلان انرژی استفاده گردیده بود و موازنه را بر روی کل سیستم نوشتند اما مدل آنها جواب دقیقی به دست نمی داد. در سال 1972 تروپ آنالیزی مشابه شارپلز و همکارانش ارائه داد و تنها تفاوت آن استفاده از معادله میشل و سامن برای محاسبه زمان ماند بود. او خشک کن را به صورت المانی تقسیم نمود و موازنه جرم و انرژی را برای هرکدام نوشت و پس از در نظر گرفتن تعداد المان های زیاد دوباره به جواب شارپلز و همکارانش رسید.

در سال 1977 کلی و ادانل معادله جدیدی برای محاسبه زمان ماند ارائه داد و با تلفیق آن با معادلات انتقال حرارت نتایج نسبتا خوبی به دست آورد اما وی خاطرنشان کرد که مدل وی بسیار پیچیده است و در حالت های خاص و محدود مورد قبول می باشد. در سال 1986 کامکه و ویلسون فرآیند خشک کردن قطعات چوب در خشک کن دوار را مورد مطالعه قرار داد و با استفاده از معادله زمان ماند کلی و ادانل و معادله انتقال حرارت فردمن و مارشال جواب قابل قبول و مطابق با نتایج تجربی به دست آوردند، همچنین آنها دریافتند که مقدار رطوبت اولیه ماده و دمای هوای مورد استفاده جهت خشک کردن بیشترین تاثیر را بر روی میزان رطوبت خروجی دارند. اما مطالعات انجام گرفته در زمینه مدلسازی دینامیکی خشک کن های دوار اندک می باشد. در مدل دینامیکی متغیرهای سیستم وابسته به پارامترهای زمان و مکان می باشند.

در سال 1993 داگلاس، کواد، لی و مالیک فرآیند خشک کردن شکر در خشک کن دوار را مدلسازی دینامیکی کردند. آنها خشک کن را به 10 قسمت تقسیم نمودند و موازنه دینامیکی جرم و انرژی را برای هر قسمت نوشتند. برای محاسبه زمان ماند و انتقال حرارت از روابط فردمن و مارشال استفاده شده بود، همچنین آنها فرض کرده بودند که در هر قسمت به حالت تعادل می رسند. مدل آنها با داده های صنعتی تطابق نسبتا خوبی داشت. در همان سال وانگ، کمرون، لیستر و داگلاس یک مدل غیر تعادلی ارائه کردند که شامل یک سری معادلات دیفرانسیل پارشیال بود اما اساس کار همان مدل تعادلی داگلاس و همکارانش بود. آنها برای محاسبه انتقال حرارت متدهای گوناگونی را به کار گرفتند.

چاو و لانگریش (2000) یک مدل برای کل سیستم خشک کن دوار با جریان متقابل ارائه دادند. در این مدل از تلفیق موازنه جرم و انرژی بر روی کل سیستم با دو معادله کمکی که یکی از آنها بیان کننده انتقال ذرات و انتقال حرارت و دیگری معرف سینتیک خشک کردن ماده بود استفاده گردید. در نهایت 6 معادله دیفرانسیل پارشیال به دست آمد که با حل آنها 6 متغیر: رطوبت و دمای جامد، رطوبت و دمای هوا، میزان ماند جامد و هوا برحسب زمان و طول خشک کن به دست آمد. این مدل براساس آزمایش بر روی ذرت جواب قابل قبول و معتبری به دست می داد.

اگرچه مدل های گوناگونی برای خشک کن های دوار ارائه شده است اما با توجه به پیچیده بودن مکانیزم این فرآیند ارائه مدل های خاص برای مواد و تجهیزات مشخص مفیدتر از مدل های کلی به نظر می رسد. از آنجایی که خشک کردن فرآیندی انرژی بر به شمار می رود و معمولا خشک کن ها با راندمان پایینی از انرژی کار می کنند مدلسازی مناسب و بحث و بررسی بر روی آن ضروری می باشد. در این پایان نامه، هدف مدلسازی دینامیکی خشک کن دوار در فرآیند خشک کردن ضایعات سبزیجات و بررسی اثر پارامترهای عملیاتی مختلف بر روی میزان رطوبت نهایی ماده می باشد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.