固体物质干燥过程中的湿分传递理论进展

研发与制造，。\"技术与应用固体物质干燥过程中的湿分传递理论进展中国农业大学（北京100083）杨彬彬刘相东湿分迁移的理论及其发展历程，介绍了固体物质中湿分传递的主要理络模型是近十余年发展起来的新的模型，能更好地描述多孔介质的干燥过程，是干燥理论研究的新方向。
一、前\"\"言：众所周知，绝大多数的干燥操作实际上是一个热量和质量传递过程。一方面，物料从干燥介质吸收热量，即热量由外往里进行传递；另一方面，物料内的水分由里向外传递，经过这一过程之后，物料的含水量逐渐降低，得以干燥。因此固体物料的热、质传递过程是干燥过程研究的重要和基本问题之一。
工业过程的被干燥固体物料大部分都属于多孔介质。多孔介质广泛存在于各个领域，岩石、泵运行时轴承受力的对比（a）平面型设计（b）锥体型设计（3）锥体型设计真空泵的进气口和排气口都设计在锥体上，锥体深入叶轮内，整个叶轮一次矿物、陶瓷、建筑材料、保温材料、催化剂、植物的根茎叶，以及各种农产品物料、食品等等都属于多孔介质的范畴。可以说，多孔介质是工业干燥过程的主要对象。因此多孔介质成为干燥研究的主要内容之一。
20世纪初，就有人已经开始对固体物质内部的质量传递过程进行研究。但由于多孔介质内部结构复杂，传递过程的物理机制不清晰，且其影响因素繁多，过程观察困难等诸多原因，迄今为止还没有一种理论模型能满意地描述干燥过程中多孔介质内部的湿分传递机理。
固体。料内部湿分迁移的。连续‘俾颊型⑵\"依据湿份在固体物质内迁移过程中的相态、运动形式、驱动力等因素，人们相继提出了液态扩散理论、毛细管理论、蒸发冷凝理论、Luikov理论、Philip与Berger等许多理论等来描述干燥中的质量传递过程。这浇铸成形，叶轮的端头整个环形加固，叶轮结构牢固；而平面型设计真空泵进气口和排气口都在平面端面上部，所以叶轮的每一叶片端头只能敞开，整个叶轮坚固性差。
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综上分析比较，NASH锥体型设计水环式真空泵与平面型设计水环式真空泵相比具有设计结构，抽气量大，节能，安全可靠和使用寿命长等主要特点，如果将其进一步推广应用于实际生产中，必将产生可观的经济效益。（：2003/11/*）技术与应用研发与制造些理论在用于描述不同物质的干燥过程时各有千秋，同时也都有它们的局限，下面我们对这些理论做一个简单的回顾。
固体物料内的水分是以液态扩散形式进行迁移的。他们在假设扩散系数为常数，物料内部各向同性的基础上，应用Fick方程（1）并用类边界条件进行求解。
液态扩散理论多被食品和谷物研究者应用于球形或平行六面体的干燥过程所应用。而扩散系数则被假定为常数或与温度或浓度线性相关，或与温度呈Arrhenius型相关。
这种理论认为液体扩散是水分迁移的惟一方式，但这一点广受质疑。Hougen等认为，只有在正确预测干燥过程中物体内水分梯度的情况下，该模型才成立。对肥皂和纸张的干燥试验表明，理论计算结果和试验结果有明显差别。但是Hougen等指出，在某些情况下如果采用可变扩散系数，计算结果会更好。他们还认为：在物料的平衡水分含量低于大气饱和点时，扩散方程能用于粘土、淀粉、面粉、织物、纸张和木材的干燥。
对于固液互溶的单相固体系统，扩散方程能用于肥皂等物料的干燥。
Babbit则认为，物体内扩散的动力不应该是湿份的浓度梯度而是压力梯度。而且由于吸附和解吸的复杂性，浓度和压力之间一般也不会是线性关系。因此的假设同样受到了人们的质疑。
然而，并不能否定液态扩散会造成湿分迁移，同时由于它的形式简单、明了，应用方便，迄今为止仍被许多人所应用。
扩散理论并未考虑收缩、表面硬化等因素，在应用中除了浓度和温度，与扩散系数有关的其他因素要么被忽略，要么被混为一谈。
毛细管现象是指由于液体和固体之间存在分子吸引力而产生的、穿过缝隙或沿固体表面的液体流动。Buckinghan先分析了这种现象，他将非饱毛细流动的驱动力定义为毛细势。
毛细势平是毛细管中气-液界面上两侧的的压力差。毛细作用下，界面因为液体的表面张力作用呈弯曲状。毛细液流通量可由在重力和毛细力的作用下发生迁移。因此，Hougen等得出结论：毛细流动方程在干燥中可用于：水分含量高于饱和点的物料的干燥，如织物、皮革和纸张的干燥。
水分含量大于大气饱和点的平衡水含量的颜料、矿物、粘土、土壤、沙粒等细微粉末或颗粒物料的干燥。
在食品研究领域，毛细理论已成为一种基本机理，主要用于高水分阶段的干燥。
Henry在研究棉花包吸水问题时，研究了一种物质通过孔道在另一种物质内的扩散，扩散物质可能被部分阻滞或被吸收。虽然他的理论认为蒸汽不是惟一的扩散物质，但他的基于此假设的研究以及所有修正方程均假设湿分只以汽态的形式扩散。Henry理论考虑了热量、质量的同时扩散过程，并将固体内的孔道假设成均匀、连续的网络。为数学计算方便，他更进一步假设：物体内蒸汽量与蒸汽浓度和温度呈线性关系，扩散系数为常数。其方程如下质量平衡方程：Gurr等证实，存在蒸汽形式的湿分迁移。他们通过试验发现，土壤等非饱和多孔材料在温度梯度下无液态流动，水分只以蒸汽形式进行迁移。
然而，当存在压力梯度时，全部是液态湿分迁移。
Harmathy对Henry的模型做了改进。他提出不饱和状态下的多孔系统热质传递理论。除了有与蒸发凝结理论相同的假设之外，该理论还假定多孔介质有很微细的相分布，因而宏观上是一个准单相系统。通过方程组，能够求解出系统总湿含量、温度和以前的压力状况。他认为，在干燥开始的降速段，除了毛细流动之外，还存在蒸汽扩散。
Hougen等提出，存在温度梯度时，将产生物体内部到表面的蒸汽压力梯度，因此湿分可以在物体内以蒸汽扩散的形式迁移。蒸发和蒸汽扩散可用于任何一侧加热、另一侧干燥的物体以及水分被颗粒所隔离的物体的干燥。
Wang等在Henry理论的基础上，建1了一\"些谷物内部湿分迁移的模型。Young定义了修正1￥数，以确定干燥时传热方程的显著性。当修正Lewis数大于60时，只需用传质方程描述干燥过程。低于60时，则主要考虑传热。
理论Luikov在前苏联学术界享有盛名。1934年他发现了湿分热扩散现象，提出温度梯度也是影响物料内湿分输送的因素。然而很少有人对其假设条件进行仔细研究。因此，有必要对Luikov理论的基本观点和限制条件进行一个回顾。
在创建其理论的过程中，Luikov应用了不可逆热力学并做了如下假设：（1）蒸汽、空气和水分的分子和质量传输同时发生。蒸汽和惰性气体（空气）以扩散、渗流以及存在压力梯度时的质量传输等形式进行。液体的传递被假设以扩散、毛细吸附和渗流的形式进行。这些传输方式均有条件地被称为扩散，并采用了与Fick定律相同的形式。
在上述假设的基础上，由质量平衡和能量平衡有上述控制方程组奠定了液态水、水蒸气同时传递耦合模型的理论基础。此模型的优点在于从机理上较真实地反映了在多孔介质中的湿分迁移过程，而且基本上反映了非稳态过程。在Luikov理论中，一切物料特性都包含在四个综合系数里。
而大量试验研究证明，这些系数不仅随介质不同而不同，而且还受温度和湿含量变化的影响。考虑到局部温度变化可能引起附加压力梯度对过程的影响，Luikov提出带有压力变化的模型后来的研究者称之为三参数模型，其中浓度、压力和温度梯度被同时考虑计为影响因素。三参数模型论证严密，理论上具有较强的通用性，但该模型中的9个耦合系数很难确定，影响了它的实用性。如何确定这些系数已成为多孔介质传热传质理论发展和应用的一大难点。
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