عملیات خشک کردن

مقدمه

در زمان حاضر بسیاری از محصولات غذایی، شوینده، داروها و ... به صورت ذرات خشک شده ریز و درشت، منظم و نامنظم وارد بازار می شود. بدیهی است که رطوبت اینگونه محصولات تا حد زیادی به روش خشک کردن کاهش داده شده است. به طور کلی خشک کردن، یعنی حذف مقدار نسبتا زیادی آب یا هر مایع دیگر از یک ماده جامد، تا هم وزن کاهش یابد و هم از فساد محصول جلوگیری شود. خشک کردن معمولا مرحله نهایی مجموعه ای از عملیات است و اغلب محصول عملیات خشک کردن، برای بسته بندی نهایی آماده می شود. آب یا سایر مایعات را می توان به طور مکانیکی با فشار یا نیروی سانتریفیوژ و یا به طور گرمایی، با تبخیر از جامدات حذف کرد. مقدار آب موجود در مایع خشک شده از محصولی به محصول دیگر تفاوت دارد. گاهی محصول حاوی هیچ مایعی نیست و کاملا خشک نامیده می شود اما عموما اغلب محصولات حاوی مقدار کمی مایع هستند.

جامداتی که خشک می شوند به صورت های مختلفی هستند که می توان به پولکی، دانه ای، بلوری، پودری، تیغه ای یا و ورقه ای پیوسته و .... اشاره کرد. لذا انواع مختلفی از دستگاه های خشک کن در بازار موجودند و اختلاف عمده آن ها مربوط به روش حذف جامدات در ناحیه خشک کردن و روش انتقال گرماست. هیچ روش ساده ای برای تقسیم بندی خشک کن ها وجود ندارد اما یکی از تقسیم بندی های معمول، بصورت پیوسته و ناپیوسته است.

خشک کن های مستقیم

اگر انتقال حرارت مستقیماً از فاز گاز به فاز جامد صورت گیرد آن را از نوع حرارت مستقیم می گویند. که در این موارد گاز داغ با جسم خشک شونده تماس مستقیم دارد.

خشک کن های غیرمستقیم

خشک کن های قفسه ای تحت خلا: این دستگاه ها مشابه خشک کن های سینی دار مستقیم ساخته می شوند. با این تفاوت که از درب های درزگیری شده استفاده می شود تا بتواند خلاء ایجاد شده در خشک کن را نگه دارد. در این خشک کن هوا یا گاز دیگری جریان نمی یابد. سینی های محتوی جامد روی قفسه هایی قرار می گیرند که توسط آب داغ یا بخار گرم می شوند و حرارت به طریق هدایت به جامد منتقل می گردد. بعد از بارگذاری و آب بندی، هوای موجود در خشک کن توسط پمپ های خلاء یا اجکتور مکیده شده و بخار خروجی کندانس می شود. در نوع دیگری از این خشک کن ها، برای خشک کردن خمیرها و لجن ها از ظروف استوانه ای به قطر 1 تا 2 متر و ارتفاع 30 تا60 سانتیمتر که مجهز به همزن می باشند، استفاده می شود که داخل کابین خلاء قرار می گیرند. این ظروف توسط ژاکت های حرارتی با آب داغ یا بخار گرم می شوند. این خشک کن ها عمدتا پر هزینه هستند و تنها در مواردی که ضروریست ماده در دمای پایین و در غیاب هوا خشک شود (مانند مواد دارویی) استفاده می گردد.

خشک کن های ثابت

عملیات خشک کردن عموما به دو صورت ناپیوسته (Batch) یا پیوسته و مداوم (Continuous) انجام می پذیرد. در فرآیند ناپیوسته، معمولا مقداری جسم جامدِ تر در مجاورت جریان هوا قرار می گیرد و این جریان هوا باعث تبخیر آب جسمِ تر می گردد. در فرآیند مداوم معمولا جسمِ تر و همینطور جریان گاز از داخل دستگاهی عبور می کنند و زمان اقامت کافی به آن ها جهت خشک شدن داده می شود. دستگاه هایی که عمل خشک کردن را انجام می دهند با توجه به پارامترهای زیر انتخاب می شوند:

  1. پیوسته یا ناپیوسته بودن فرآیند: در فرآیند ناپیوسته، دستگاه خشک کن با مواد مرطوب بارگذاری شده و مواد تا پایان خشک شدن در دستگاه باقی می مانند. در انتهای فرآیند دستگاه خالی شده و مجددا با مواد مرطوب پر می شود. در خشک کن های مداوم، به صورت پیوسته مواد و گاز خشک کننده وارد و خارج می شوند.
  2. اعمال حرارت مورد نیاز برای تبخیر رطوبت: در خشک کن های مستقیم، حرارت با تماس مستقیم با گاز داغ به آن منتقل می شود. در خشک کن های غیرمستقیم، حرارت به طریق هدایت از سطح یا تشعشع یا روش های دیگر به جسم مرطوب رسیده و از گاز تنها برای حمل رطوبت خارج شده از جسم استفاده می کنند.
  3. طبیعت ماده خشک شونده: جسم خشک شونده ممکن است جامد سختی مثل چوب باشد، ماده نرمی مثل پارچه و کاغذ یا جامد دانه ای شکل مثل مواد کریستالی، خمیر غلیظ یا اسلاری (Slurry) باشد. شکل فیزیکی ماده در تعیین نوع خشک کن موثر است.

خشک کن های پیوسته

این خشک کن ها با توجه به حجم محصول نسبتا کم، با دیگر دستگاه های موجود در فرایند شیمیایی تطابق بیشتری داشته و نیاز به ذخیره و انبار کردن قبل از خشک کن ندارند. محصول به دست آمده محتوی رطوبت یکنواختی است و هزینه به ازاء واحد وزن محصول نسبتا کم است. نوع خشک کن یا ساختار آن به شرایط ماده خشک شونده بستگی دارد. در بسیاری از این خشک کن ها، جسم جامد در خشک کن حرکت کرده و با جریان گاز تماس می یابد. حرکت جامد و جریان گاز ممکن است همسو، ناهمسو یا به صورت متقاطع باشد. در جریان های ناهمسو، داغ ترین گاز در تماس با خشک ترین جامد قرار می گیرد، به طوری که دمای جامد تا حد امکان به دمای گاز ورودی نزدیک می شود. این روش سریع ترین حالت خشک شدن (از دست رفتن رطوبت پیوندی) را نتیجه خواهد داد و در مواردی باعث صدمه دیدن محصول خواهد شد. از طرفی جسم جامد مقدار زیادی از حرارت موجود در گاز را از خشک کن خارج می کند. در جریان های همسو، جامد مرطوب با داغ ترین گاز مجاور می شود و جامد تنها تا دمای مرطوب گاز گرم خواهد شد و در این حالت حتی مواد حساس به دما نیز می توانند بدون ایجاد اشکال خشک شوند. در جریان های موازی کنترل بیشتری روی میزان رطوبت محصول وجود دارد.

خشک کن های ناپیوسته

ساختار این نوع خشک کن ها به طبیعت ماده خشک شونده بستگی دارند. خشک کن های سینی دار که کابینی یا قفسه ای نیز گفته می شوند، برای خشک کردن جامداتی که بایستی روی سینی نگهداری شوند از جمله مواد خمیری یا جامدات مشابه استفاده می شوند. این دستگاه شامل یک کابین با تعدادی سینی می باشد که در بعضی دستگاه ها قابل خارج کردن از آن می باشند. بعد از بارگذاری، کابین بسته می شود و هوای گرم شده بین تعدادی از سینی ها جریان می یابد تا رطوبت موجود در جسم را تبخیر کند. این گاز می تواند گاز خنثی یا حتی (زمانی که مایع تبخیر شونده از جسم قابل اشتعال باشد) بخار داغ به جای هوا باشد. وقتی مواد به خشکی مورد نظر رسیدند، کابین دستگاه را باز می کنند و مواد خشک شده با مواد جدید عوض می شوند و عملیات مجددا تکرار می شود.

در بعضی موارد، مواد گرانولی روی توری هایی با عمق کم ریخته می شوند به طوری که هوا یا گاز دیگری، می تواند به آرامی از این بستر عبور کند. بدین طریق سریعتر جامد خشک خواهد شد. نوعی خشک کن که برای این منظور استفاده می شود، خشک کن سیرکولاسیونی می باشد. جامدات کریستالی و موادی که طبیعتا دانه ای هستند مثل سیلیکاژل در این خشک کن ها به خوبی خشک می شوند. مواد خمیری نیز می توانند توسط یک اکسترودر به صورت گرانول درآمده و بدین طریق به راحتی خشک شوند. مشکل عمده این نوع خشک کننده ها ناهمگونی میزان رطوبت در محصول نهایی خروجی از آن می باشد. این مشکل به خاطر عدم یک نواختی جریان گاز در قسمت های مختلف این خشک کن می باشد، که می بایست حتی الامکان از ایجاد مناطق مرده جلوگیری کرد. بنابراین با سرعت بالا (3 تا 4 متر در ثانیه) در گاز می توان یک نواختی رطوبت در مناطق مختلف خشک کن را بالا برد.

خشک کن های انجمادی

موادی که نمی توانند حتی تا دمای متوسط گرم شوند، از جمله مواد غذایی یا دارویی، می توانند با این روش خشک گردند. موادِ تر در معرض هوای خیلی سرد قرار گرفته و منجمد می شود و سپس در اتاق خلاء قرار گرفته و رطوبت خارج شده توسط پمپ خلاء یا اجکتور به بیرون هدایت می شود.

خشک کن های تونلی

خشک کن های تونلی، دارای تونل های نسبتا طویل می باشند که سینی های محتوی مواد خشک شونده روی واگن هایی قرار داده شده و از آن عبور می کنند. زمان اقامت در خشک کن بایستی به حد کافی طولانی باشد تا رطوبت به مقدار مورد نظر برسد. برای دمای نسبتا پایین معمولا از هوای گرم شده توسط بخار استفاده می شود و در دمای بالاتر و مخصوصا مواردی که نیاز نیست محصول تمیز باشد از گازهای احتراق استفاده می گردد. در این خشک کن ها از هر دو جریان همسو و ناهمسو می توان استفاده کرد و در بعضی موارد روی دیواره های تونل نیز فن هایی نصب می شوند تا جریان بیشتری از گاز را ایجاد کنند. برای ایجاد راندمان حرارتی بالاتر معمولا قسمتی از گاز های خروجی از تونل به آن برگردانده می شوند.

خشک کن های بشکه ای

مواد سیالی همچون محلول ها، لجن (Slurry) و خمیرها می توانند توسط خشک کن های غیر مستقیمی که به خشک کن های بشکه ای نیز شناخته می شوند به رطوبت مورد نظر برسند. بشکه از داخل توسط بخار گرم شده و قسمتی از آن در حوضچه مواد خشک شونده غوطه ور می باشد. چرخش بشکه باعث ایجاد فیلمی از مواد شده و در چرخش کامل این فیلم خشک شده و از طرف دیگر توسط کاردکی فیلم برداشته می شود. معمولا مواد خشک شونده واقع در حوضچه را در دمای جوش نگه می دارند تا سرعت تبخیر از روی درام سریع تر گردد.