کاربرد و توسعه تجهیزات خشک کن اسپری در تولید لبنیات

در تولید لبنیات کشور من، شیر خشک به دلیل سهولت ذخیره سازی و حمل و نقل، تقریباً 80 درصد از کل تولید را تشکیل می دهد. فرآیند خشک کردن یکی از مراحل بسیار مهم در تولید شیر خشک است. مقدار آب تبخیر شده در حین خشک کردن به تنهایی تقریباً معادل کیفیت شیرخشک تولیدی است. به طور کلی، فرآیند تولید، تجهیزات تولید و سیستم کنترل را تعیین می کند، اما استفاده از تجهیزات پیشرفته و سیستم های کنترلی نیز می تواند فرآیند تولید را تغییر دهد. استفاده از تجهیزات خشک کن اسپری در تولید شیرخشک یک مثال معمولی است.

فرآیند خشک کردن اسپری شامل پمپاژ مواد به یک خشک کن اسپری است، جایی که یک اتمایزر آن را به قطرات کوچک پراکنده می کند. سپس هوای گرم شده به محفظه خشک کن وارد می شود تا با قطرات مواد مخلوط شود و در تماس باشد. پس از خشک شدن، محصول خشک شده جدا شده و ذخیره می شود و یا به طور مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد. پودر شیر تولید شده با خشک کردن اسپری یک محصول پودری یکنواخت است که نیاز به فرآیندهای خشک کردن، خنک سازی و پودر شدن بیشتر را از بین می برد. می‌توان آن را مستقیماً به‌عنوان محصول نهایی بسته‌بندی کرد و تولید مکانیزه، پیوسته و بزرگ-را ممکن می‌سازد. علاوه بر این، دمای سطح پایین مواد باعث بهبود کیفیت محصول پودر شیر می شود. بنابراین تجهیزات خشک کن اسپری نقش بسزایی در تولید شیرخشک ایفا می کنند و تمایل به خشک کردن محصولات با میزان رطوبت به طور فزاینده ای وجود دارد. با این حال، خشک کردن با اسپری فرآیندی-پر انرژی-است. به دلیل الزامات کیفی بالا پس از خشک شدن و نیاز به حداقل نوسانات در رطوبت، کنترل دقیق پارامترهای عملیاتی مانند دمای خشک کردن ضروری است. بنابراین، انتخاب صحیح تجهیزات خشک کن اسپری و طراحی منطقی عملکرد و سیستم کنترل آن برای اطمینان از کیفیت محصول و حفظ انرژی بسیار مهم است. این نه تنها به پیشرفت فناوری و توسعه صنعت لبنیات کشور من کمک می کند، بلکه باعث پیشرفت و توسعه فناوری در سایر صنایع می شود و سهم بیشتری در رشد اقتصادی کشور- دارد.

1. توسعه تجهیزات خشک کن اسپری در تولید صنایع لبنی

تجهیزات خشک کن اسپری برای اولین بار در سال 1901 در صنعت شیرخشک مورد استفاده قرار گرفت، اما کاربرد عملی آن در تولید شیر خشک تا دهه 1920 آغاز نشد و تا اواخر دهه 1940 در کشور من شروع به استفاده از آن نشد. اولین ساختار از نوع جعبه فشار (افقی) با اتمیزه کردن مواد با استفاده از روش دو سیال بود که منجر به مصرف انرژی بالا شد. در سال 1958، وزارت صنعت سبک، خشک کردن اسپری تحت فشار حیوانی-در مقیاس کوچک-را برای تولید پودر شیر در استان هیلونگجیانگ ترویج کرد. در سال 1955، کارخانه لبنیات رودخانه هاربین سونگهوا برای اولین بار از خشک کردن اسپری گریز از مرکز برای تولید پودر شیر استفاده کرد. هر دوی این نوع تجهیزات خشک کن اسپری در آن زمان دارای ساختارهای{12}مسطح کف بودند و خروجی پودر متناوب بود و به خروجی دستی یک بار در هر شیفت نیاز داشت.

در اواسط-1960، یک ساختار زیرین مخروطی شکل با دستگاه خروجی پودر مارپیچی (مارپیچ) در جعبه-تجهیزات خشک کردن فشار نوع ظاهر شد. اولین خشک کن اسپری فشار چند نازل عمودی در اوایل دهه 1970 ساخته شد. ظهور آن حجم موثر خشک کن های اسپری را تقریباً به نصف کاهش داد و نیاز به مارپیچ را از بین برد و امکان خروجی مداوم پودر را فراهم کرد. در دهه 1980، خشک کن اسپری فشار عمودی تک نازل تولید شد. کاربرد آن در صنعت شیرخشک عاملی کلیدی در ارتقای پیشرفت تکنولوژی در صنعت شیرخشک کشور من بود و پایه و اساس توسعه سریع آن را پی ریزی کرد.

2. ویژگی های تجهیزات خشک کن اسپری

تجهیزات خشک کن اسپری به طور کلی در سه نوع فشار، گریز از مرکز و جریان هوا وجود دارد. خشک کن های اسپری فشار، شدت خشک شدن بالا، اندازه کوچکتر، تجهیزات کمتر و سرمایه گذاری مهندسی عمران، ذرات محصول کوچکتر و چگالی ظاهری بالاتر را ارائه می دهند. برای پودر شیر با چگالی ظاهری تقریباً 0.165، زمان خشک شدن بسیار کوتاه است، فقط 10-30 ثانیه، که آن را برای تولید مواد حساس به حرارت مناسب می‌کند. بنابراین در صنایع شیرخشک و سایر صنایع، بسیاری از اسپری خشک کن های گریز از مرکز به خشک کن های اسپری تحت فشار تبدیل شده اند. خشک کن های اسپری فشار نیز انرژی کمتری مصرف می کنند. خشک کن های اسپری گریز از مرکز عموماً دارای قطر بیشتر و ارتفاع کمتری هستند که در نتیجه شدت خشک شدن کمتری نسبت به خشک کن های اسپری تحت فشار دارند. آنها اندازه ذرات بزرگتری تولید می کنند و با طیف وسیع تری از مواد سازگار هستند. به طور کلی مواد مناسب برای خشک کن های اسپری تحت فشار برای خشک کن های اسپری گریز از مرکز نیز مناسب هستند. اسپری خشک کن های گریز از مرکز برای موادی با ویسکوزیته بالاتر مناسب هستند. پاشش جریان هوا، همچنین به عنوان پاشش دو مایع{12} شناخته می‌شود، از حرکت با سرعت بالا بخار یا هوای فشرده (معمولاً 200 تا 300 متر بر ثانیه) برای ایجاد سرعت نسبی بالا بین گاز و مایع استفاده می‌کند. فیلم مایع به رشته ها کشیده می شود و سپس به قطرات ریز می شکند. افزایش ناگهانی سطح، امکان تبادل سریع گرما و جرم با هوای گرم، تبخیر رطوبت و تولید یک ماده خشک پودری را فراهم می کند. این برای طیف وسیعی از مواد مناسب است، اما مقدار بسیار زیادی انرژی مصرف می کند. به طور کلی هر زمان که بتوان از روش های دیگر سمپاشی استفاده کرد از این روش خودداری می شود. برای اتمیزه کردن جریان هوا، ماده باید تا دمای مناسب گرم شود تا ویسکوزیته آن به حداقل برسد. بنابراین، پاشش جریان هوا برای مواد با ویسکوزیته بالاتر مناسب است.

3. روند توسعه تجهیزات خشک کردن اسپری

از منظر تولید صنعتی در مقیاس بزرگ، صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف، تجهیزات خشک کن اسپری باید عمودی، مقیاس بزرگ-، پیوسته و خودکار باشند. این نوع عملیات معقول ترین است. عملکرد مداوم به این معنی است که سمپاشی مداوم است، یعنی هم تغذیه و هم تخلیه مداوم است. از نظر مقیاس، تجهیزات مناسب با توجه به انواع مختلف تولید اتخاذ می شود. به طور کلی، در صنایع غذایی، گرایش به سمت سیستم‌های-در مقیاس بزرگ و چند نازلی است، در حالی که در صنعت داروسازی، مقیاس عموماً کوچک‌تر است. مانند سایر تجهیزات، انتخاب تجهیزات خشک کن اسپری و تطبیق اجزای داخلی آن باید با مواد در حال پردازش تطبیق داده شود. شدت خشک کردن تجهیزات باید به حداکثر برسد، یعنی مقدار رطوبت خشک شده در واحد حجم در واحد زمان، در نتیجه اندازه تجهیزات خشک کن اسپری به حداقل برسد و تجهیزات و سرمایه گذاری مهندسی عمران به حداقل برسد.

311. روش توزیع هوای گرم

توزیع هوای گرم در تجهیزات خشک کن اسپری یک جنبه حیاتی است. روش ورود هوای گرم به طور قابل توجهی بر عملکرد کلی تجهیزات خشک کردن تأثیر می گذارد. یک روش مناسب معرفی هوای گرم نه تنها اختلاط کاملتر و موثرتر قطرات و هوای گرم را تضمین می کند، در نتیجه راندمان تبادل حرارت را بهبود می بخشد، بلکه به طور موثر خشک شدن برخی از مواد خاص را برطرف می کند و از چسبیدن مواد به دیوارها و سقف جلوگیری می کند. خشک کن های اسپری فشار سنتی اغلب از یک ساختار تنظیم کننده هوا از نوع آستین- استفاده می کردند. هوای گرم از طریق آستین تنظیم شده و سپس به داخل سیلندر داخلی اسپری خشک کن توزیع می شود. این نوع تجهیزات نسبتاً بزرگ بود. در حال حاضر، توزیع هوای صفحه الک چند لایه معمولاً بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا کوچکتر است و بنابراین کاربرد بیشتری دارد. در خشک کن های اسپری فشاری که در یک جریان همزمان کار می کنند، سرعت هوای هوای گرم ورودی به مجرا تقریباً 9 متر بر ثانیه است. در خشک کن‌های اسپری اگزوز ضد جریان یا بالا، سرعت هوای ورودی به کانال باید به طور مناسب بالاتر باشد. خشک کن های اسپری گریز از مرکز معمولاً از توزیع کننده های هوای گرم استفاده می کنند. هوای گرم از طریق یک توزیع کننده هوای حلزونی و یک صفحه راهنما وارد بدنه اصلی اسپری خشک کن می شود و هوای گرم در همان جهت اتمایزر گریز از مرکز می چرخد. وظایف اصلی توزیع کننده هوای گرم در خشک کن های اسپری گریز از مرکز سه مورد است: وارد کردن محیط خشک کن (هوای گرم) به برج خشک کن به طوری که با ماده در حال خشک شدن تماس پیدا کند و کار خشک کردن را تکمیل کند. برای انتخاب یک ساختار ایده آل برای اطمینان از اختلاط کامل محیط داغ معرفی شده و ماده در حال خشک شدن، دستیابی به راندمان تبادل حرارت بالا؛ و برای کاهش یا جلوگیری از پدیده چسبیدن برخی مواد به دیوارها یا بالا. با توسعه فناوری خشک کردن اسپری، توزیع کننده های هوای گرم به طور مداوم در حال بهبود هستند.

312. فرم اگزوز برج

در خشک کن های اسپری فعلی، معمولاً از اگزوز پایین استفاده می شود. در خشک کن های اسپری فشار، قطر تجهیزات در بالای قسمت مخروطی شکل برج افزایش می یابد و چهار مجرای اگزوز به طور مساوی در ناحیه حلقوی قرار می گیرند، سپس به یک جمع کننده پودر همگرا می شوند. از طرف دیگر، چهار فیلتر کیسه ای را می توان مستقیماً در قسمت بالایی ناحیه حلقوی نصب کرد و سپس کانال های اگزوز در ورودی فن اگزوز همگرا می شوند. در حال حاضر، خشک‌کن‌های اسپری فشار معمولاً از سیستم‌های اگزوز{4} بالایی استفاده می‌کنند. هوای گرم از بالا وارد برج می شود و مواد نیز از بالا به داخل برج پاشیده می شود. چهار لوله اگزوز به طور مساوی در اطراف بخش دایره ای برج توزیع شده اند و سپس گاز خروجی از یک جمع کننده گرد و غبار جمع آوری و تخلیه می شود. این نوع خشک کن اسپری دارای دمای گرمایش هوای گرم نسبتاً بالا، شدت خشک شدن بالا، حجم برج کمتر و هزینه تجهیزات و عمران کمتر است.

خشک کن های اسپری گریز از مرکز معمولاً دارای لوله های اگزوز آنها از قسمت مخروطی برج و سپس به جمع کننده گرد و غبار هستند. این امر حجم موثر برج خشک کن اسپری را بدون تأثیر بر خروجی پودر معمولی به حداکثر می رساند و حجم کلی را به حداقل می رساند.

313. تمیز کردن تجهیزات

اسپری خشک کن های وارداتی عموماً این دستگاه را ندارند و در عوض از روش های نظافت استفاده می کنند. اسپری خشک کن های خانگی به طور کلی این موضوع را در نظر می گیرند. دیوارهای برج خشک کن اسپری تحت فشار عموماً با استفاده از یک صفحه آویزان{2}}گرد و غبارگیر تمیز می شوند که ایمن، قابل اعتماد است و تمیز کردن کامل را فراهم می کند. با این حال، بخش مخروطی شکل برج باید دارای یک درب تمیز کننده برای تمیز کردن خارجی باشد. برج خشک کن اسپری گریز از مرکز معمولاً با استفاده از یک جاروبگر گرد و غبار از نوع فشار- تمیز می شود که تمیز کردن کامل را فراهم می کند. پس از جارو کردن، می توان گرد و غبار را از طریق درب برج به بیرون از برج منتقل کرد.

برج خشک کن اسپری به طور کلی مجهز به دستگاه برج ارتعاشی است تا از چسبیدن مواد خشک شده به دیواره برج جلوگیری کند. این معمولاً از چندین چکش{1} با هوا یا برق استفاده می‌کند که با یک توالی ارتعاش خاص برنامه‌ریزی شده‌اند. چکش‌های هوا{3} بهتر از چکش‌های الکتریکی هستند، اما به هوای فشرده نیاز دارند.

314. حذف گرد و غبار از تجهیزات

خشک کن های اسپری معمولاً از فرآیند حذف گرد و غبار دو مرحله ای- استفاده می کنند. در مرحله اول از جداسازی سیکلون برای حذف گرد و غبار استفاده می شود و در مرحله دوم از فیلتر کیسه ای استفاده می شود. در تولید شیرخشک، پارچه صافی فیلتر کیسه ای عموما مش 130 است در حالی که در تولید پودر پروتئین عموما مش 200-۲۴۰ مش است. حذف گرد و غبار تک مرحله ای نیز گاهی در تولید پودر شیر استفاده می شود. در تولید پروتئین سویا و پروتئین ایزوله در خشک کردن اسپری، هوای گرم به طور کلی از بالا به داخل برج خشک‌کن فرستاده می‌شود و مواد نیز از بالا به داخل اسپری می‌شوند. تخلیه پودر و هوای خروجی هر دو وارد جمع‌آورنده پودر می‌شوند{10}}جداکننده سیکلون-از خروجی پودر. پس از تخلیه مواد از جداکننده سیکلون، توسط دمنده Roots به سیلو پودر منتقل می شود. گاز خروجی قبل از تخلیه به جو وارد فیلتر کیسه ای برای جمع آوری پودر می شود. پودر ریز همراه با پودر تخلیه شده از سیکلون به سیلو پودر فرستاده می شود. فشار هوای فن های ورودی و خروجی در تجهیزات خشک کن اسپری که برای تولید پودر پروتئین استفاده می شود به طور کلی بیشتر از هوای فن های ورودی و خروجی در تجهیزات خشک کن اسپری مورد استفاده برای تولید پودر شیر است. تطابق حجم هوا مانند تجهیزات خشک کن اسپری است که برای تولید پودر شیر استفاده می شود، با حجم هوای خروجی هواکش 30 درصد بزرگتر از حجم هوای فن ورودی است. سه دلیل برای این وجود دارد: اول اینکه فن ورودی در هوای دمای اتاق می‌وزد، در حالی که فن خروجی هوای گرم را تخلیه می‌کند و در نتیجه فشار حجم هوا بیشتر می‌شود. دوم اینکه در حین خشک کردن اسپری، خلاء 0.1147 کیلو پاسکال در برج خشک کن استفاده می شود که فرود صاف مواد را تسهیل می کند و پاشیدن را کاهش می دهد. سوم، رطوبت در حین خشک کردن اسپری تبخیر می شود که حجم مشخصی را نیز اشغال می کند.

پودر ریز حاصل از جداکننده سیکلون و محفظه فیلتر کیسه ای توسط یک دمنده Roots برای تجمع پودر ریز و افزایش اندازه ذرات و حلالیت به داخل برج فرستاده می شود.

کیسه های فیلتر در فیلتر کیسه ای به طور کلی با استفاده از روش بک فلاشینگ پالس ارتعاش می شوند که گران تر است و هوای فشرده بیشتری مصرف می کند. در حال حاضر، یک مکانیسم ارتعاش رفت و برگشتی با استفاده از یک سیلندر به طور کلی استفاده می شود، که ارتعاش با بسته شدن دریچه پروانه ای تنظیم کننده هوا قفل می شود. این امکان لرزش آنی کیسه فیلتر بدون اگزوز را فراهم می کند و در نتیجه هزینه کم و عملکرد خوبی دارد.

315. تخلیه پودر از تجهیزات

تخلیه پودر از تجهیزات خشک کن اسپری پیوسته است و به یک بستر سیال ارتعاشی در خروجی برج خشک کن متصل است. این امکان خشک شدن ثانویه مواد پودر شده و به دنبال آن استفاده از لسیتین یا طعم دهنده های دیگر را فراهم می کند. این کار ظرفیت تجهیزات خشک کن اسپری را افزایش می دهد، کیفیت محصول را بهبود می بخشد و امکان خنک شدن به موقع مواد را پس از خشک شدن ثانویه فراهم می کند و محصول را به حالت آماده برای بسته بندی مستقیم می رساند، بنابراین خطر آلودگی قبل از بسته بندی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

4. سیستم کنترل فرآیند خشک کردن

ماهیت سریع فرآیند خشک کردن اسپری برای کنترل موثر بسیار مهم است. در حال حاضر، تحقیقات در مورد تئوری و عمل کنترل خشک کردن هم در داخل و هم در سطح بین المللی هنوز در مراحل اولیه است و فاقد مطالعات جامع و سیستماتیک است. بر اساس تجزیه و تحلیل فرآیند تولید، هدف از بکارگیری فناوری کنترل خودکار در فرآیند خشک کردن شیر خشک عبارت است از:

(1) از بی ثباتی عملکرد تجهیزات ناشی از عملیات متناوب دستی جلوگیری کنید، در نتیجه به تولید مداوم و تثبیت فرآیند عملکرد سیستم چند متغیره و بسیار غیرخطی خشک کردن اسپری می‌پردازید.

(2) با معرفی یک سیستم کنترل خودکار، ضمن اطمینان از کیفیت و خروجی محصول، تعداد نقاط دریافت سیگنال آنلاین سیستم کنترل را به حداقل می رساند و تأثیر غیرضروری بین متغیرها را کاهش می دهد.

(3) صرفه جویی در نیروی انسانی، کاهش زمان از کار افتادگی ناشی از عوامل انسانی، و کوتاه کردن چرخه کار.

(4) از طریق پیش تنظیم صحیح پارامترهای هر متغیر در سیستم کنترل خودکار، کل سیستم را قادر می سازد تا در حالت بهینه کار کند، کارایی خود تجهیزات را به حداکثر برساند و به هدف صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف دست یابد.

(5) بهبود کیفیت محصول و به حداقل رساندن هزینه های عملیات و مدیریت.

شاخص های اصلی برای ارزیابی موفقیت استفاده از تجهیزات خشک کن در شرایط فرآیندی خاص، خروجی و کیفیت محصول خشک شده و همچنین توزیع اندازه ذرات، ظاهر و رطوبت نهایی محصول است. خروجی محصول با عملکرد اقتصادی بار تولید، گرمای ارائه شده توسط مولد هوای گرم، شدت خشک شدن خشک کن، سرعت جریان هوای گرم و محتوای جامد در دوغاب تعیین می شود. عوامل زیادی بر کیفیت محصول تأثیر می‌گذارند: اندازه و ظاهر ذرات توسط عملکرد فرآیند تجهیزات خشک‌کن و پارامترهای آماده‌سازی دوغاب تعیین می‌شود، در حالی که رطوبت نهایی به طور مستقیم با انتخاب پارامترهایی مانند دمای ورودی هوای گرم، دمای خروجی گاز خروجی و فشار منفی در برج خشک‌کن مرتبط است.

تجهیزات خشک کن اسپری انقلابی در تولید شیر خشک ایجاد کرده است. با این حال، تجهیزات خشک کن اسپری یک راه حل جهانی نیست. ساختار و فرم اتمیزه شدن آن، ساختار برج، توزیع هوا، اگزوز، پوشش پودری، روش تخلیه پودر، ترکیب با سایر تجهیزات فرآیند و طراحی سیستم کنترل خودکار، همگی باید برای مواد در حال پردازش مناسب باشند. تنها از این طریق، با پیشرفت روزگار و پیشرفت مداوم علم و فناوری، می توان تجهیزات خشک کن اسپری را با طیف وسیع تری از نیازهای خشک کردن مواد سازگار کرد و سهم فزاینده ای در توسعه و ساخت اقتصاد ملی داشت.