خوراکی . بهداشتی-درمانی . دانستی ها

مدلسازی و شبیه سازی خشک کن پاششی در فرایند استحصال نمک به کمک CFD

 کامران قاسم زاده، امین سالم *، مجید احمدلو داراب

دانشگاه دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

salem@sut.ac.ir*

چکیده

خشک کن های پاششی به طور وسیعی در صنایع مختلف استفاده می شوند. اما با این حال هنوز تکنولوژی طراحی و ساخت آنها غالباً بر اساس روشهای تجربی می باشد. در سال‌های اخیر با پیشرفت علوم ریاضی به خصوص روش‌های عددی و افزایش توان محاسباتی کامپیوترها، تلاش‌های بسیاری برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی خشک کنهای پاششی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD ) انجام شد شده است. اما به دلیل اینکه در مدلهای ارائه شده و بعضی از پدیده های پیچیده که در فرآیند خشک کردن اتفاق می‌افتد، در نظر گرفته نشده است، لذا به تنهایی به نتایج این شبیه سازی ها نمی توان اطمینان داشت و نیاز به مقایسه نتایج به دست آمده از مدل با داده های آزمایشگاهی می باشد. امروزه در فرآیند تولید نمک از آب دریاچه، از یک روش سنتی استفاده می‌شود، که معایب و مشکلات متعددی دارد. لذا در این مقاله با مدلسازی و شبیه سازی یک خشک کن پاششی به کمک (سی اف دی ) به بررسی امکان استحصال نمک از آب دریاچه شور با استفاده از این روش پرداخته شده است. همچنین تأثیر سرعت و دمای هوای ورودی بر توزیع رطوبت در فرایند تولید نمک با روش خشک کردن پاششی مطالعخ شده است.

1- مقدمه

سه منبع عمده تولید نمک به عنوان ماده اولیه ،نمک دریایی، دریاچه ای و سنگ نمک می باشد. این تحقیق به بررسی تولید نمک از آب دریاچه پرداخته شده است. در برداشت نمک از آب دریاچه از یک روش سنتی استفاده می‌شود. در این روش آب دریا به داخل یک سری از حوضچه های مخصوصی که در کنار دریاچه تعبیه شده است، هدایت می‌شود. در داخل این حوضچه ها آب به روش طبیعی در اثر حرارت نور خورشید تبخیر شده و نمک محلول در آب در کف حوضچه ها رسوب می‌کند. اما نرخ پایین تولید نمک و همچنین اثرات مخرب زیست محیطی این روش سنتی باعث شده است به این روش توجه کمتری شود و این در حالی می باشد که در کشور ما دریاچه های شور متعددی، از جمله دریاچه ارومیه که یزرگترین دریاچه شور جهان محسوب می‌شود، وجود دارد (۱). لذا پس از مطالعات انجام گرفته برای پیدا کردن روشی مناسب و مکانیزه جهت استحصال نمک از آب دریاچه استفاده از روش خشک کردن پاششی برای این کار پیشنهاد می‌شود. خشک کردن پاششی فرآیندی می باشد که در آن محلول مایع حاوی ذرات جامع جامد به داخل یک جریان گاز داغ اتمایز شده که با تبخیر رطوبت ذرات در طی فرایند محصول نهایی به صورت ذرات و یا گرانول های خشک به دست می آید. این فرآیند در داخل محفظه هایی که به آنها خشک کن پاششی اطلاق می‌شود، انجام می گیرند. ابعاد خشک کن ها وابسته به خواص فیزیکی خوراک و پارامترهای عملیاتی متفاوت می باشند (۲ و ۳ و ۵ ). در این روش آب دریاچه که در واقع محلول آب نمک می باشد به داخل محفظه خشک کن پاششی اتمایز می‌شود. هوای داغ نیز به طور هم جهت یا غیر هم جهت با محلول آب نمک وارد محفظه می‌شود. در اثر پدیده انتقال جرم و انتقال حرارت به طور همزمان آب محلول تبخیر شده و نمک به صورت گرانول در پایین خشک‌کن انباشته می‌شود. هوای داغ و مرطوب نیز از محفظه عبور از داخل یک سلیکون، برای میعان آب موجودش به یک کندانسور هدایت می‌شود. آب گرفته شده با غلظت پایین نمک به دریاچه بازگردانده می شود و هوا نیز برای انجام فرآیند به خشک کن برگشت داده میشود. شماتیکی از فرایند در شکل 1 ارائه شده است.

استفاده از این روش نه تنها نرخ تولید نمک را بسیار بالا می برد بلکه با توجه به مشکل خشکسالی که خطر خشک شدن دریاچه ها و تالاب های طبیعی را به دنبال دارد، می‌تواند به عنوان راهکار بسیار مناسب برای احیای این منابع طبیعی محسوب شود.

فرآیند خشک کردن پاششی در صنایع مختلف از جمله صنایع سرامیک، شوینده، غذایی کاربرد دارد. با این وجود تکنولوژی طراحی و ساخت این نوع از خشک کن ها هنوز کاملا شناخته نشده است. به طوری که اغلب از طراحی های انجام گرفته بر اساس روشهای تجربی در دهه اخیر با پیشرفت روز افزون علم دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و افزایش توان محاسباتی رایانه‌های عصر جدید، تلاش های بسیاری جهت مدل سازی و طراحی خشک کن های پاششی به کمک روشهای CFD انجام گرفته شده است. اگرچه در شبیه سازی های انجام شده، پدیده های فیزیکی در در فرآیند خشک کردن پاششی رخ می‌دهند کاملاً در نظر گرفته نشده است. لذا مدل سازی های انجام شده دقت بالایی نداشته و برای اطمینان از دسترسی نتایج حاصل شده، بایستی آنها را با نتایج به دست آمده از پایلوت آزمایشگاهی مقایسه نمود. با این وجود نتایج شبیه سازی در طراحی و ساخت خشک کن های پاششی میتواند بسیار مفید ‌باشد و از هزینه های بالای ساخت پایلوت آزمایشگاهی پیشگیری کند(2_6).

لذا برای ارزیابی تاثیر پارامترهای عملیاتی بر روی فرآیند تولید نمک با استفاده از روش خشک کردن پاششی، مدل سازی و شبیه سازی خشک کن پاششی با جریان هم جهت با استفاده از روش حجم محدود انجام شده است.

در این مقاله هدف شبیه سازی خشک کن پاششی برای نشان دادن اثرات سرعت ورودی هوا و دمای ورودی هوا بر روی توزیع دما و رطوبت در داخل محفظه خشک کن پاششی می باشد. و برای اینکه بتوان از دسترسی نتایج مدل سازی مطمئن شد، یک مدل متقارن دو بعدی، شامل دو قسمت استوانه ای و مخروطی مشابه با ابعاد پایلوت آزمایشگاهی کیویت در نظر گرفته شده است(7). به طوری که در ابتدا مدل سازی برای خوراک آب انجام گرفته است، پس از مشاهده تطابق خوب نتایج مدل با داده های آزمایشگاهی مدل سازی برای محلول آب نمک با غلظت ۳۷ درصد وزنی که هدف اصلی این تحقیق می باشد، انجام شده است.

2- معادلات ریاضی حاکم

500