مقايسه مدل هاي ناپايا و شبه پايا در تحليل خشك شدن محلول هاي آمورف در يك خشك كن انجمادي

Comparison of quasi-steady-state and un-steady-state model formulations for drying of amorphous solutes materials in a freeze dryer

استنباط هاي اوليه مبتني بر فيزيك و عملكرد يك خشك كن انجمادي آن است كه به دليل طولاني بودن زمان خشك شدن و سرعت اندك تغييرات رطوبت، شايد بتوان از فرض شبه پايا براي سيستم در تحليل فرايند خشك شدن بهره گرفت. به نظر مي رسد راستي آزمايي اين فرضيه از دوجنبه شامل تاييد يا رد كامل آن و يا تاييد آن، همراه با اعمال محدوديت هايي منطبق بر شرايط عملياتي ونوع ماده خشك شونده يك ضرورت اساسي است. بدين منظور وبه كمك معادلات بقاي، معادلات حاكم بر رفتار يك خشك كن انجمادي در دو مرحله اوليه وثانويه استخراج و با استفاده از روش هاي عددي در دو حالت شبه پايا وناپايا حل گرديدند. نتايج حاصل از حل هر دو مدل با داده هاي تجربي استخراج شده براي شير خشك مقايسه شد ند. نتايج حاصل از حل مدل در شرايط ناپايا همخواني قابل قبولي با داده هاي تجربي نشان مي دهد اما با اين حال، خطاي ناشي از حل شبه پاياي مدل قابل توجه مي باشد. خطاي متوسط ناشي از حل شبه پاياي مدل براي ميزان رطوبت جدا شده در طول مرحله اوليه %35 و براي موقعيت مرز مشترك تصعيد %29 مي باشد. همچنين تاثيرپذيري پاسخ هاي مدل حالت گذرا از پارامترهاي عملياتي سيستم شامل دماي صفحه تابش دهنده، بار حرارتي اعمالي از صفحه پاييني و فشار محفظه، مورد بررسي قرار گرفته است.

The primary conclusions regarding the freeze drying process reveal that due to the long drying time, caused by slow moisture removal rate, the quasi-steady-state (QSS) formulation could be applied for performance analysis of freeze drying process. The verification of this idea is a basic necessity. May also the application of this idea, with some restrictions imposed on the operating conditions and drying solid properties is possible. In this study, using the conservation law, an un-steady-state model (USS) is developed for primary and secondary stages of freeze drying process of skimmilk. The model is solved numerically both for the QSS and USS conditions and the results of the QSS solution are compared with the corresponding results of the USS solution and the existing experimental datain the literature.A good agreement between the USS solution andthe experimental data is observed but the error related to the QSS solution is remarkable. The average error related to QSS solution for the amount of removed water during the primary stage is 35% and for the location of the moving interface is 29%.Moreover, the efficacy of operational conditions of drying solute is investigated based on the results of USS model.