การทาแหง (Drying)

อ.ดร. ไพโรจน วงศพทธสน

โ โ สาขาเทคโนโลยชวภาพ คณะวทยาศาสตร

มหาวทยาลยแมโจมหาวทยาลยแมโจ

การทาแหงเปนวธการถนอมอาหารทเกาแก และมประสทธภาพ เนองจากมการกาจดการทาแหงเปนวธการถนอมอาหารทเกาแก และมประสทธภาพ เนองจากมการกาจด

นาทจาเปนในการดารงชวตของจลนทรยออกไป จงสามารถหยดการ

เจรญเตบโตของจลนทรยททาใหอาหารเนาเสยเหลานได นอกจากนยงหยดเจรญเตบโตของจลนทรยททาใหอาหารเนาเสยเหลานได นอกจากนยงหยด

ปฏกรยาของเอนไซมชนดตางๆ ในอาหาร จงคงสภาพของสารอาหารไวได

เหตผลหลกในการทาแหงคอ การยดอายการเกบรกษา และเพอการแปรรปผลตภณฑ

เนองจากนาในผลตภณฑจะระเหยออกจากอาหารโดยอาศยความรอนแฝง ดงนน

ตองมการควบคมปจจยสาคญ 2 ปจจยคอ ญ

1. การถายโอนความรอนจะตองครอบคลมปรมาณความรอนแฝงในการระเหย

2. การเคลอนทของนาและเปลยนสถานะไปเปนไอผานเนออาหาร และผลจาการท

ไปนาถกขจดออกไปจากอาหาร

ไ ป 3 ไ สภาวะการทาแหงสามารถจาแนกไดเปน 3 สภาวะ ไดแก

1 การทาแหงภายใตความดนบรรยากาศดวยอากาศรอน1. การทาแหงภายใตความดนบรรยากาศดวยอากาศรอน

2 การทาแหงภายใตสญญากาศดวยอากาศรอนหรอรงส2. การทาแหงภายใตสญญากาศดวยอากาศรอนหรอรงส

3 การทาแหงแบบเยอกแขง3. การทาแหงแบบเยอกแขง

Temp.

กราฟแสดงวฏภาคของนา

จากแผนภมวฏภาคของนา

ป ป ไ 3 นาบรสทธสามารถเปลยนแปลงสถานะได 3 สถานะ: ของแขง ของเหลว และแกส

โดยขนอยกบอณหภมและความดน เชน นาแขงทความดนปกตแมอณหภมจะตา

(จด A) ตองการเปลยนสถานะใหเปนไอ (จด B) จะตองผานสถานะเปนของเหลว

เสยกอน (ละลายแลวจงระเหย) แตในขณะทนาแขงทความดนตาและอณหภมตา

(จด C) จะเปลยนสถานะเปนไอนน (จด D) สามารถเปลยนสถานะเปนไอไดทนท

(ระเหด)(ระเหด)

เรยกจดทมทงสามสถานะรวมกนวา triple point และในกรณของนาบรสทธนน

พบวา จด triple point อยท 0.0098 oC และ 0.6117 kPa (4.8 mm.Hg)

พลงงานความรอนทใชสาหรบการระเหยนา

ใ ใ ป ไ ป ในการระเหยนาจากของเหลวใหเปนไอนนตองอาศยปรมาณความรอน

ทเรยกวา ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ (latent heat of vaporization)

สวนการระเหดนาแขงในเปนไอนนตองอาศยปรมาณความรอนท

เรยกวา ความรอนแฝงของการร เหด (l t t h t f bli ti )เรยกวา ความรอนแฝงของการระเหด (latent heat of sublimation)

heat1heat2

นาแขง

อณหภมตากวา 0oC

นาแขง

อณหภม 0oC

อณหภมตากวา 0oC อณหภม 0 Cนา อณหภม 0oChe

heat4heat5

eat3

นา อณหภม 100oCนา อณหภม 100oCไอนา อณหภม 100oCไอนา

อณหภมมากกวา 100oCอณหภมมากกวา 100 C

Heat 1 3 5 พลงงานความรอนในการเพมอณหภมHeat 1, 3, 5 พลงงานความรอนในการเพมอณหภม

Heat 2 พลงงานความรอนแฝงของการหลอมเหลว (latent (

heat of fusion) มคาประมาณ 80 แคลอรตอกรม (1

แคลอร = 4 2 J)แคลอร = 4.2 J)

Heat 4 พลงงานความรอนแฝงของการกลายเปนไอ (latent

heat of solidification) มคาประมาณ 540 แคลอรตอ

กรมกรม

ความหมายของความชนชนดตางๆ

1. ปรมาณความชนแบบ dry basis (W)

W = มวลของนา x 100

มวลของแขง

2 ปรมาณความชนแบบ wet basis (X)2. ปรมาณความชนแบบ wet basis (X)

X = มวลของนา x 100

มวล (นา+ของแขง)

3. ปรมาณความชนสมดล (equilibrium moisture content)

ป ใ ไ คอ ปรมาณความชนสดทายทยงคงเหลออยในตวอยางและไม

สามารถจะกาจดออกไปไดอกแลว ภายใตอณหภมและความชนสมพทธของ

อากาศทเปนตวกลางทาแหงในขณะนน เพราะการระเหยกคอการถายเทมวล

ของไอนาจากตวอยางไปสตวกลางนนคออากาศ เมอการระเหยของไอนา

ดาเนนไปจนกระทงทาใหความดนไอของอากาศเพมเทาความดนไอของ

ตวอยาง การระเหยกจะหยด ดงนนปรมาณความชนสมดลนจะขนอยกบตวอยาง การระเหยกจะหยด ดงนนปรมาณความชนสมดลนจะขนอยกบ

ชนดของตวอยางและความชนสมพทธของอากาศทใชเปนตวกลางอบ

4. ความชนเกาะเกยว (Bound moisture) คอ ความชนในตวอยางซงเมอ

ระเหยถงภาวะสมดล จะใหคาความดนไอนอยกวาความดนไอของนาบรสทธระเหยถงภาวะสมดล จะใหคาความดนไอนอยกวาความดนไอของนาบรสทธ

ทอณหภมเดยวกน

4. ความชนไมเกาะเกยว (unbound moisture) คอ ความชนในตวอยางซงเมอ

ใ ไ ไ ระเหยถงจดสมดลแลวจะใหคาความดนไอเทากบความดนไอของนาบรสทธท

อณหภมเดยวกน

5. ความชนอสระ (free moisture) คอ ความชนในตวอยาง สวนทมากกวา

ไ ใ ใ ความชนสมดล ซงสามารถกาจดออกไดภายใตภาวะการอบแหงในขณะนน

รปแบบการไหลของอากาศภายในเครองทาแหง

1. อากาศไหลขนานผวหนาชนของตวอยางทกองเปนชนๆ (bed) เรยกวา cross-

circulation drying

2 อากาศไหลผานตงฉากกบชนตวอยางทมรพรน ทะลไปยงชนลาง ซงตวอยาง2. อากาศไหลผานตงฉากกบชนตวอยางทมรพรน ทะลไปยงชนลาง ซงตวอยาง

จดวางอยบนตะแกรง เรยกวา through-circulation drying

3. ตวอยางถกทาใหเปนเมดเลกๆ ตกลงมาจากการหมนของตวถง

4. การทาใหของแขงกระจายและไหลคลายของเหลว (fluidized bed)

ใ ไ5. การทาใหของแขงลอยขนจากการผานอากาศความเรวสง เกดการไหลแบบ

pneumatic

6. หยดหรอสเปรยสารละลายหรอ slurry ผานลมรอน เชน เครองspray dryer

เครองทาแหงอาจแบงไดเปน 2 แบบใหญๆ คอเครองทาแหงอาจแบงไดเปน 2 แบบใหญๆ คอ

1. Adiabatic dryer (direct) เปนเครองทาแหงทใหตวอยางสมผสกบอากาศ1. Adiabatic dryer (direct) เปนเครองทาแหงทใหตวอยางสมผสกบอากาศ

รอนโดยตรง

2. Nonadiabatic dryer (indirect) เปนเครองทาแหงทไดความรอนผาน

ตวกลางความรอนภายนอกตวกลางความรอนภายนอก

กรณตวอยางทไมทนรอน

e

กรณตวอยางทไมทนรอน

ควรควบคมให Tsb อยใกล

T ทสด

erat

ure Tv ทสด

tem

pe Tsa = feed temperature

Tv = vaporization temp. v p p

Tsb = final vapor temp.Tsa

Temperature pattern in batch dryerTemperature pattern in batch dryer

Temperature pattern in continuous – countercurrent –adiabatic dryer

การอบแหงแบบถาด การอบแหงแบบถาด (Tray drier)(Tray drier)

(cross(cross circulation drying)circulation drying)(cross(cross--circulation drying)circulation drying)

เมอเวลาผานไปปรมาณความชนจะลดลง จนกระทงคงทเมอเวลาผานไปปรมาณความชนจะลดลง จนกระทงคงท

อตราการทาแหงชวงแรกเพมขน และเรมคงท จากนนจะลดลงจนเทากบ 0 อตราการทาแหงชวงแรกเพมขน และเรมคงท จากนนจะลดลงจนเทากบ 0

อตราการทาแหง; R- ชวง BC เรยกวาชวง constant

rateอตราการทาแหง; RA

rate

- ชวง CDE เรยกวา falling rateC BRc - ใหจด B มความชนเรมตนท W0

D A' - ใหจด C มความชนเทากบ Wc

เรยกวาความชนวกฤต ( iti l

ความชน,WEW W W

เรยกวาความชนวกฤต (critical

moisture content) และมอตรา

,We Wc W0 การทาแหงเทากบ Rc

ใหจด E มความชนเทากบ W

บางครง

- ใหจด E มความชนเทากบ We

เรยกวา ความชนสมดล บางครง (equilibrium moisture content)

อตราการทาแหง; R การหาเวลาทใชในการอบแหงอตราการทาแหง; RA กาหนดให

C BRcθ1

θ1 = เวลาทใชอบแหงชวง constant rate

D A'θ1

θ

θ2 = เวลาทใชอบแหงชวง falling rate

ความชน,WEW W W

θ2

,We Wc W0

ในการหาระยะเวลาทจะตองใชในการอบตวอยาง วธการคอ หา θ1 และ θ2

จากนนจงนามารวมกน (θ = θ1 + θ2)จากนนจงนามารวมกน (θ = θ1 + θ2)

A คอ พนผวทตงฉากกบทศทางการระเหย (ft2)

L

A คอ พนผวทตงฉากกบทศทางการระเหย (ft )

L คอ ความหนาของตวอยาง (ft)

qA

L

M คอ ความชนทงหมด (lb) q

H2Oθ คอ เวลาทงหมดทใชการทาแหง

2เมอ W = ปรมาณความชน ตอ 1 หนวยมวลสารแหง (lbH2O/ lb dry solid)

M = W(L. A. ρs)

ρ = ความหนาแนนของตวอยางแหง (lb/ft3)

ดงนน อตราการอบแหง (R) = - 1 dM

ρs = ความหนาแนนของตวอยางแหง (lb/ft )

(lb/ft2-s) A d θ

ใ ป ใ ไ แทนคา M ในสมการ และปรบสมการใหม ได

R = 1 L A ρ dWR = -1 L.A.ρs dW

A d θ

d θ = Lρ dw ทาการอนทเกรตสมการนตงแต θ ถง θ ไดd θ = -Lρs dw ทาการอนทเกรตสมการนตงแต θ0 ถง θe ได

R1/R

w0

θ = -L ρs dw = -L ρs area∫we

1/R∫dw = area

Rwe

0

R∫w0

1we w0

การหาเวลาในการอบชวง การหาเวลาในการอบชวง constant rate (constant rate (θθ11)) (( ))

ชวงนอตราการอบแหง (R) จะคงท นนคอเทากบ Rc

Aจาก

d θ = -Lρs dw

C BA

Rc

ρs

Rc

D A'θ1 เมออนทเกรตตงแต W0 – Wc กจะไดวา

θc = L ρs (w0-wc)

Eθ2

ρs ( 0 c)

Rc 2We Wc W0

ไ ฟ ใ แตถาไมมกราฟการอบแหงใหมา กสามารถ

คานวณคา Rc ไดจากสมการ

การคานวนหาคา Rc สามารถหาไดสองวธ คอc

1. คานวณจากการถายเทความรอน ซงเมอนาไดรบความรอนกจะมการระเหยขน

ดงนน

R h ( )Rc = h (t – tw)

λ 3λw

เมอ h =สมประสทธการถายเทความรอนจาก drying medium ไปยงชนผวหนา

λw= ความรอนแฝงในการระเหยของนาทอณหภม tw (หาไดจากตาราง)

t = อณหภมของ drying medium

( b lb d i tw = อณหภมทผวหนาตวอยาง (เทากบอณหภมท wet bulb ของ drying

medium ในสภาวะ steady state)

ถาอากาศไหลขนานกบผวหนาทเกดการระเหย จะไดวา

h 0 0128G0 8 ป B / h f 2 oFh = 0.0128G0.8 มหนวยเปน Btu/ hr-ft2-oF

เมอ G = mass flow rate ของอากาศ lb/ ft2-hrเมอ G mass flow rate ของอากาศ, lb/ ft hr

แตเมอ G มหนวยเปน kg/ m2 – s จะหา h ไดจาก

h = 14.3 G0.8

ถาอากาศไหลตงฉากกบผวทจะระเหย จะไดวา

h = 0.37 G0.37

G = mass flow rate ของอากาศ, lb/ ft2-hr

และ

0 37 ป 2 h = 24.2G0.37 เมอ G มหนวยเปน kg/m2-s

2. การคานวณ Rc จากการถายเทมวลสาร คดไดจากแนวคดทวา การทนาระเหยไดc

นนแสดงวา drying medium จะตองไมอมตว ดงนนอตราการระเหยนาจะขนอยกบ

ผลตางของปรมาณนาใน drying medium ตงแตตอนเรมตนและอมตวผลตางของปรมาณนาใน drying medium ตงแตตอนเรมตนและอมตว

Rc = k (Yw – Y) เมอ4c w

k = สมประสทธการถายเทมวลสาร , lb/ hr-ft2

4

Yw = ปรมาณความชนของ drying medium ขณะอมตว, lbH2O/ lb dry gas

Y = ปรมาณความชนของ drying medium ตอนเรมตน, lbH2O/lb dry gas

ไ**ถาใชอากาศเปน drying medium คา Yw และ Y หาไดจาก Phychrometric chart

การหาเวลาในการอบชวง การหาเวลาในการอบชวง falling rate (falling rate (θθ22)) g (g ( ))

ชวงนอตราการอบแหง (R) จะลดลง (ไมคงท) การหาเวลาในการ

อบแหง กจะทาการอนทเกรตเชนเดม ตงแตความชนเทากบ Wc

จนกระทงถงความชนทตองการ (w f)( f)

C BA

C BRcθ1

D A'θ1

θEWe W W0

θ2RfWe Wc W0

wf

เนองจากรปแบบกราฟของชวง falling rate อาจมไดสองแบบคอ เสนตรงและ เสน

โคง ดงนนการคานวณหาคา R สามารถทาได 2 วธคอ

ป 1. กรณเปนเสนตรง

R

Rwf

θ Lρ d ∫

จาก

R

Rc θf = -Lρs dw

R

∫wc

RfR

W

wWc

wf

R คา b = We

a = slope = Rc – Rf

W W

Rc

R = a w + bRfWc – Wf

W

wWดงนน R = Rc – Rf W + WewwfWe

Wc - Wf

wc

เมอแทนคา R ในสมการและอนทเกรตแลวกสามารถหาเวลาทใชในการ

อบแหงชวง falling rate ไดจากสมการ

θ L ρ l Rθf = -L ρs wc – wf ln Rf

R - R R หรอRc Rf Rc หรอ

= L ρs wc – wf ln Rc

R R RRc - Rf Rf

และเวลาทใชในการอบแหงทงหมดตงแตความชนเรมตน (w ) จนถงและเวลาทใชในการอบแหงทงหมดตงแตความชนเรมตน (w0 ) จนถง

ความชนทตองการ (wf) หาไดจาก

θ = θc + θf

นนคอ

θ = θc + θf

= L ρ w0 - w + w – wf ln R L ρs w0 wc wc wf ln Rc

Rc Rc – Rf Rf

2. กรณเปนเสนโคง

ความสมพนธระหวาง R และ W คอ

R = aWb

ท R เทากบ Rc จะไดวา

Rc = aWcb

ดงนน a = Rc / Wcb

แทนคา a กลบเขาไปใน

ไดวา ไดวา

R = (R / W b) Wb R (Rc / Wc ) W

จดรปสมการใหมได

R = Rc W bc

Wcc

เวลาชวง falling time หาไดจาก dθ = -L ρs dW

R

แทนคา R จากขางบนลงในสมการ

ได dθ = -Lρs dW

(RcWb)/Wc

b หรอ

= -Lρs dW (Wcb)

Rc Wb

= -Lρs Wcb dW

Rc Wb

ไ ทาการอนทเกรทสมการเพอหาเวลาทงหมด ตงแต Wc ถง Wf ไดวา

θได dθ = -Lρs Wc

b dW∫ ∫θ

θf Wf

Rc Wb∫θc Wc

θ = Lρ W b W 1-b W1-bθf = Lρs Wc Wc - W

R 1-bRc 1 b

ดงนนเวลาในการอบแหงทงหมดหาจาก θ = θc + θf

เชนเดยวกบกรณเสนตรง