固体干燥的物理解释和建模综述(1)(3)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表:2007-07-02 人气:2

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4 传递机理
多孔介质内的传递机理是多种多样的。最主要的机理是Fick型扩散和总体对流。Fick型扩散包括分子扩散，Knudsen扩散以及毛细管扩散。总体对流是指过滤流或Darcy流。
如果孔隙足够大（Kn<<1），水蒸汽在多孔介质内的扩散是分子扩散或Fick扩散。Fick定律为

实际上，Fick定律是从传热的Fourier定律类比而来。当孔隙尺寸小于分子平均自由程时，Knudsen扩散起主要作用。这在冷冻干燥过程中是常见的。Knudsen扩散系数为[6]

当分子平均自由程和孔隙尺寸相近时，扩散为过渡型扩散。总扩散系数为分子扩散系数与Knudsen扩散系数的调和平均 [7]

毛细管流动是由液－液分子与液－固分子间的引力差造成的。在多孔介质里，当液含量较低时，液体被紧密束缚在空隙表面；而当液含量较高时，这种束缚较弱。由于毛细管引力的差别，液体可从高浓度处向低浓度处流动，即非饱和流动。这在液体湿份干燥中是非常重要的。毛细管扩散表达式与Fick定律的形式一样。实际上，总扩散系数通常包括了各种可能的扩散传递机理。
Darcy定律与Fourier定律和Fick定律一样，也是一个经验关系式。它描述流体在多孔介质内的流动。Darcy定律的压力梯度形式为

虽然这一数学关系发现于地下水通过颗粒介质的流动，但其广泛应用于质量通量方程中的对流项。渗透率是一个多孔介质的重要物理性质，其重要性可与另一重要的几何性质，即孔隙率相当。它表达流体在多孔介质里流动的能力，与孔隙的联结性和构成介质的固体颗粒尺寸有关。目前，除了刚性球多孔介质外，渗透率主要通过实验测定获得。
总之，Fourier定律，Fick定律和Darcy定律均适用于多孔固体物料的干燥。广义上说，干燥过程中大部分固体物料是非均相的各向异性物料。非均相是指物料性质随空间位置而变化。各向异性意味着这些性质还与方向有关。因此，扩散系数D，渗透率K，以及热传导系数k均为二阶对称张量

在主轴座标系统，亦即任意三种常用的正交座标系统中，通过座标变换，这一张量可表达为一个对角张量，对角元素非零而其余为零。这一对角张量称之为正交各向异性张量[8]

一般说来，在固体干燥过程中，绝大部分各向异性物料都至少可视为横观各向同性物料[4]。目前，几乎所有固体物料被认为是各向同性的多孔物料。
5 相平衡关系
对非吸湿多孔介质，结合水一般忽略不计。其内部表面饱和蒸汽压是纯组份的蒸汽压，在热力学意义上说仅是温度的函数。它可以用Clapeyron方程表达。对于吸湿多孔介质，有一定量的结合水存在。此时传递现象相对复杂。如此很可能存在一个临界湿含量，高于该值，物料表现与非吸湿的相同；低于该值内部表面饱和蒸汽压是温度和湿含量的函数，称其为吸附平衡关系。因此，简单的Clapeynon方程已经不适用于吸湿多孔介质。热力学平衡关系应被吸附平衡关系所替代。可惜由于多孔介质的复杂性，这样的平衡关系无论在理论上还是实验上都未能建立。
仅有为数不多的文章涉及到结合水的去除。对于含有液体湿份物料，Stanish等[9]和Ni等[10]使用由木材和土豆脱水实验获得的曲线拟合关系。Wang和Chen [11-13] 和Chen等[14]用Kelvin方程。该方程是描述毛细管流动的平衡关系。对于冷冻干燥，Wang和Shi的模型 [15, 16] 以及Wang和Chen的模型[17]没有包含结合水的去除。Millman等[18]采用了一级吸附速率方程。Liapis和Bruttini [1] 使用了Langmuir方程，其中Langmuir系数由实验确定。与半经验的关系式相比，曲线拟合关系可能更加准确地表达平衡关系。
在常压和微负压干燥条件下，水蒸气和惰性气体应视为理想气体。理想气体方程在干燥过程始终适用。当液体湿份中含有诸如盐、糖和蛋白等时，湿份不能被视为理想溶液。关联水的浓度与分压的热力学知识此时十分重要 [19]。水的浓度应为活度所替代。对于非极性和弱极性溶液，NRTL和UNIQUAC方程完全适用。

• 我国干燥用热源的研究和应用现状分析（2）