Review

One-dimensional simulation of co-current, dairy spray drying systems – pros and cons

乳粉顺流喷雾干燥系统一维模拟的利弊分析

Simulation monodimensionnelle de systèmes de séchage par atomisation de produits laitiers en co-courant – avantages et inconvénients

¹ Biotechnology and Food Engineering Group, Department of Chemical Engineering, Monash University, Clayton Campus, Victoria 3800, Australia
² INRA, UMR1253, F-35042 Rennes, France
³ AGROCAMPUS OUEST, UMR1253, F-35042 Rennes, France

^* Corresponding author (通讯作者): dong.chen@eng.monash.edu.au

Received: 15 June 2009
Revised: 12 November 2009
Accepted: 18 December 2009

Abstract

One-dimensional (1-D) simulation is a useful technique for the evaluation of dryer operating parameters and product properties before conducting real spray drying trials. The main advantage of a 1-D simulation tool is its ability to perform fast calculations with significant simplicity. Mathematical models can be formulated using heat, mass and momentum balances at the droplet level to estimate time-dependent gas and droplet parameters. One of the purposes of this paper is to summarize key mathematical models that may be used to perform 1-D simulation for spray drying processes, predict essential product-drying gas parameters, assess the accuracy of prediction using pilot-scale spray drying data and perhaps most importantly address the main benefits and limitations of the 1-D simulation technique in relation to industrial spray drying operations. The results of a recent international collaborative study on the development of spray drying process optimization software for skim milk manufacture are presented as an example of the application of 1-D simulation in milk processing.

摘要

一维模拟是在进行实际喷雾干燥之前用来评价干燥器操作参数和产品特性的一种技术方法。 一维模拟最大的优点是可以用简单的方法进行快速计算。 根据液滴的热、质量和动力平衡的数学方程来估算时间-气体的关系以及液滴的参数。本文概述了一些重要的、实用的一维模拟的数学模型，这些模型可以用来预测喷雾干燥过程，预测产品干燥的气体参数，评定中试级喷雾干燥预测数据的准确性;以及着重分析了一维模拟技术在喷雾干燥工业生产中的利与弊。最近国际上合作开发出的用于脱脂乳喷雾干燥生产工艺参数优化的软件就是一维模拟技术在乳品加工中最好的应用实例。

Résumé

La simulation monodimensionnelle (1-D) est une technique utile pour évaluer les paramètres de séchage et les propriétés des produits avant de conduire les essais de séchage en réel. Le principal avantage de l’outil de simulation 1-D est sa capacité à réaliser des calculs rapidement et avec une grande simplicité. Les modèles mathématiques peuvent être formulés avec les équilibres de chaleur, de masse et de quantité de mouvement à l’échelle de la gouttelette pour estimer les paramètres de vapeur et de gouttelette qui varient au cours du temps. Un des objectifs de cet article est de présenter de façon synthétique les modèles mathématiques clés qui peuvent être utilisés pour réaliser une simulation 1-D, prédire les paramètres de vapeur essentiels pour le séchage du produit, évaluer la précision de la prédiction en utilisant les données du séchage par atomisation obtenues à l’échelle pilote, et enfin d’aborder les principaux bénéfices et limites de la technique de simulation 1-D en relation avec les opérations de séchage par atomisation industrielles. Les résultats d’une récente étude réalisée en collaboration internationale sur le développement d’un logiciel d’optimisation du procédé de séchage par atomisation pour la production de poudre de lait écrémé sont présentés pour illustrer l’application de la simulation 1-D.