دانش آموخته دکتری مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا همدان
Author's Google Scholar
امروزه، استفاده از محصول پلت (Pellet) به سرعت قابل توجهی در حال گسترش است. استفاده از محصول پلت، کار با مواد پودری و ذخیره سازی را به میزان قابل توجهی تسهیل کرده است. برای تولید محصول پلت از ماشینی به نام پرس پلت (Pellet press mill) با پلت میل (Pellet mill) استفاده می شود [1]. اساس کار پرس پلت بر مبنای عبور غلطک یا اصطلاحاً رولر (Roller) بر روی قالب یا اصطلاحاً دای (Die) است. پرس پلت ها طراحی های متنوعی دارند [2]. مواد پودری با استفاده از مکانیزم های مختلفی بر روی دای ریخته می شود و با عبور رولر از روی آن ها، مواد از داخل سوراخ های دای عبور کرده و تحت فشار به وجود آمده از سوی دیگر دای خارج می شوند. در سمت دیگر دای، مکانیزمی برای برش این مواد متراکم تعبیه می شود که آن را به ابعاد مشابه برش می دهد. این محصول متراکم و برش داده شده، محصول پلت یا اصطلاحاً پلت است. پرس پلت های تجاری در طراحی ها و انواع مختلفی ساخته می شوند اما اساس تقریباً تمامی آن ها بر دو نوع پرس پلت دای تخت (Flat die pellet mill) [3] و پرس پلت دای حلقوی (Ring die pellet mill) [4]است. در پرس پلت دای، دای به شکل صفحه ای دایره ای شکل است که رولرها از روی آن عبور می کنند. در مقابل، در پرس پلت دای حلقوی، دای به شکل استوانه ای است که رولر از روی سطح داخلی آن عبور می کنند. نسبت دادن زمان دقیقی برای اختراع پرس پلت، چندان ساده نیست. نکته جالب توجه این است که هر دو این نوع پرس پلت به صورت تقریباً همزمان در طی سال های 1930 تا 1940 انجام شد. نسبت داد تاریخ دقیقی برای اختراع پرس پلت چندان آسان نیست. چرا که به نظر می رسد، طرح های اولیه پرس پلت ها تا حد زیادی از چرخ های سنتی روغن گیری ابتدایی الهام گرفته شده است. افراد کنجکاوی را تجسم کنید که با عبوی سنگ بالایی چرخ روغن گیری بر روی سنگ پایینی با شگفتی به فشار وارد شده به دانه های زیتون نگاه می کردند، آن هم با صرف انرژی به نسبت پایین انجام می شود.
شکل 1) روغن کشی سنگی
اختراع اولین پرس پلت به توماس ادگار میکین [5]نسبت داده می شود. این پرس پلت که از نوع دای تخت بود در سال 1931 ثبت اختراع شد. در شکل زیر تصویری از این پرس پلت ابتدایی آورده شده است. نکته قابل توجه این است که علارغم ابتدایی بودن طراحی های میکین، برخی از نکات بسیار مهم که عملکرد یک پرس پلت موفق امروزی را تضمین می کند در این طراحی ها رعایت شده است. میکین [6] در سال 1934 تغییراتی بیشتری بر روی اولین نمونه پرس پلت خود داد و این جزییات بیشتر را در قالب یک اختراع ثبت کرد. این جزییات پرس پلت او را بیش از پیش به نمونه های تجاری امروز شبیه کرده است.
شکل 2) طرح پرس پلت اختراع شده توسط توماس ادگار میکین [6]
به صورت تقریباً همزمان با میکین و در سال 1932، نوع متفاوتی از پرس پلت توسط بور ام استیس [7] ثبت اختراع شد که بسیار شبیه به پرس پلت های حلقوی امروز است. تصویری از نخستین نقشه های این پرس پلت در شکل زیر آورده شده است. به نظر می رسد که استیس بخش عمده ای از طراحی خود را به ارائه سیستم انتقال قدرتی تخصیص داده که بیش از 80 درصد ماشین را تشکیل داده است، به عبارت دیگر پرس پلت او بسیار بزرگ تر از پرس پلت استیس بوده و فضای بیشتری را اشغال می کند. نکته جالب توجه این است که پس از گذشت حدود یک قرن از اختراع این پرس پلت ها، هنوز پرس پلت های دای حلقوی (اختراع استیس) فضای بیشتری را نسبت به انواع پرس پلت های دای تخت (اختراع میکین) اشغال می کنند.
[7] شکل 3) طرح پرس پلت اختراع شده توسط بور ام ایستیس
اگرچه داده های ثبت شده ای از آزمایش این دو پرس پلت در زمان اختراع آن ها که امکان مقایسه را فراهم کند، موجود نیست اما محققان بسیاری معتقد اند که پرس پلت دای حلقوی استیس با مشکلاتی بسیاری روبرو بود. مشکلاتی که اگرچه بسیاری از آن ها در پرس پلت های تجاری امروز و با استفاده از تکنولوژِی روز برطرف شده اند اما هنوز هم بقایای آن را به صورت کمتر به ضریب تراکم و مصرف انرژی بالاتر در پرس پلت های دای حلقوی نسبت به انواع دای تخت مشهود است. امروزه، بسیاری از انواع پرس پلت های دای حلقوی برای رفع مشکل روی به سیستم های کنترل الکترونیکی آورده اند که مسئله را تا حدی مرتفع ساخته است. اما، هنوز هم برای پلت کردن مواد دشواری که متراکم کردن آن ها کار آسانی نیست از پرس پلت های دای تخت استفاده می شود. به عنوان مثال، امروزه تولید پلت از چوب که محصولی به نسبت دشوار برای متراکم شدن است و مصرف انرژی در آن یک پارامتر مهم است، استفاده از پرس پلت های تخت پیشنهاد می شود.
در سال 1933، میکین [8]طراحی دیگری از پرس پلت تخت خود ارائه کرد که تصویر آن در شکل زیر آورده شده است. این پرس پلت شباهت بسیاری به اولین طراحی میکین دارد، با این تفاوت که به جایی یک خروجی، دو خروجی برای تولید پلت طراحی شده است. احتمالاً هدف اصلی میکین از طراحی این پرس پلت، افزایش ظرفیت و یا به عبارت دیگر افزایش راندمان است که می تواند خود را به صورت افزایش تراکم هم نشان دهد. متخصصان معتقد اند که این طراحی میکین بیش از هر چیزی تلاشی برای ارائه ماشینی پرس پلتی بوده که مانند دستگاه استیس به صورت افقی عمل کند. به دلایل بسیاری، این پرس پلت گسترش پیدا نکرد و در مدل های تجاری پرس پلت ها با انواع مختلف حتی طراحی های استثنایی نیز، نشانه ای از آن مشاهده نمی شود.
[8] شکل 4) طرح دوم پرس پلت اختراع شده توسط بور ام ایستیس
در سال های کار استیس و میکین، کارهای دیگری نیز توسط مخترعات دیگر انجام شد که شباهتی به انواع رایج پرس پلت های امروزی نیست. یکی از این اختراعات، پرس پلت اختراع شده توسط ریموند توتل اندرسون [9] است. این پرس پلت بیش از آن که شبیه به انواع رایج در طی چند دهه اخیر باشد، به اکسترودرهای پرفشار امروزی شباهت دارد. در شکل زیر، طرح واره ای از این دستگاه پلت ساز آورده شده است.
[9] شکل 5) طرح پرس پلت اختراع شده توسط ریموند توتل اندرسون
پرس پلت های تجاری امروزی، تغییرات قابل توجهی را نسبت به طراحی پرس پلت های استیس و میکین نشان می دهد. اگرچه اساس کار این پرس پلت ها همچنان مشابه نخستین نسخه های آن ها است. گسترش علوم مهندسی و ورود تولید کنندگان مختلف به این عرصه باعث شده تا این پرس پلت ها به میزان قابل توجهی تکامل پیدا کنند. در شکل های زیر طرح واره ای از پرس پلت های دای تخت و دای حلقوی به صورت کلی آن ترسیم شده است.
شکل 6) طرح کلی پرس پلت های تجاری دای تخت
شکل 7) طرح کلی پرس پلت های تجاری دای حلقوی
در سال های اخیر کارهای تحقیقاتی بسیاری بر روی عملکرد پرس پلت ها انجام شده است که تمرکز اصلی بسیاری از آن ها بر روی فرآیند تولید پلت از خاک اره بوده است [4, 10-12]. این کارها بر روی بیهنه سازی پارامترهای پرس پلت و یا مواد اولیه به منظور کسب بالاترین راندمان و کیفیت محصول تولید انجام شده است. این چنین کارهایی در طی دو دهه به وفور انجام شده است. یک نگاه کلی از این سری کارها را می توان در مروری که در سال های اخیر توسط نیلسن [2] انجام شده، مشاهده کرد. به نگاهی به اختراعات ثبت شده در زمینه پرس پلت، به نظر می رسد که هنوز هم اختراعاتی در این زمینه به ثبت می رسد [13] و از جمله موضوعات مهم روز است.
منابع
1. M. Puig-Arnavat, L. Shang, Z. Sárossy, J. Ahrenfeldt, and U.B. Henriksen, From a single pellet press to a bench scale pellet mill—Pelletizing six different biomass feedstocks. Fuel processing technology, 2016. 142: p. 27-33.
2. S.K. Nielsen, M. Mando, and A.B. Rosenorn, Review of die design and process parameters in the biomass pelleting process. Powder Technology, 2019.
3. O.A. Vladislavovich, STUDY OF THE flat die pellet mills kinematic diagram with active cylindrical press rolLS. Vestnik MGSU, 2017. 12(3): p. 317-325.
4. D.A. Agar, M. Rudolfsson, G. Kalén, M. Campargue, D.D.S. Perez, and S.H. Larsson, A systematic study of ring-die pellet production from forest and agricultural biomass. Fuel Processing Technology, 2018. 180: p. 47-55.
5. E.T. Meakin, Pellet mill. 1934, Google Patents.
6. E.T. Meakin, Pellet mill. 1938, Google Patents.
7. B.M. Estes, Pellet making machine. 1932, Google Patents.
8. E.N. Meakin, Pellet forming machine. 1935, Google Patents.
9. A.R. Tuttle, Pellet making machine. 1932, Google Patents.
10. S. Głowacki, W. Tulej, M. Sojak, A. Bryś, E. Golisz, and J. Kaczmarczyk, Analysis of physical properties of pellet produced from different types of dendromass, in Renewable energy sources: Engineering, technology, innovation. 2020, Springer. p. 79-88.
11. M. Jacobson and D. Ciolkosz, Plantation forestry and pellet production in Kenya. Biomass and Bioenergy, 2020. 135: p. 105519.
12. J. Pope, J. Brake, and A. Fahrenholz, Parameters monitored during the pelleting process and their relationship to xylanase activity loss. Animal Feed Science and Technology, 2020. 259: p. 114344.
13. J. Wu and X. Du, Gear-driven pellet mill. 2019, Google Patents.
