非饱和多孔物料冷冻干燥数值验证和实验比较

摘要

冷冻干燥技术与其它的干燥方法相比具有显著的优点，一直以来在医药医疗、食品工业和新材料等领域应用广泛，尤其对于某些特殊物质，冷冻干燥技术更是其唯一处理手段。正是由于其优异的性能，冷冻干燥现已成为21世纪一种重要的应用技术。但高质量是以高能耗为代价的，尽管冷冻干燥技术优点众多，但其过程能耗高的问题始终是一个全球性问题，迄今仍未得到有效解决，这限制了冷冻干燥进一步的广泛应用。因此，缩短干燥时间，减少能量消耗是冷冻干燥技术广泛工业化应用所急需解决的问题。
　　应用能够降低冷冻干燥能耗的初始非饱和物料这一思想，根据多孔介质经典传递理论，结合Whitaker体积平均理论，推导多孔介质内部质热传递方程。应用吸附解吸平衡关系，对一维球形物料和二维圆柱形物料的冷冻干燥过程采用全隐格式的有限体积法进行数值求解。以甘露醇为溶质的液体物料作为待干介质，在保持相同物料量相同湿含量的情况下，对不同初始饱和度物料的冷冻干燥过程进行数值模拟，再现实验过程，对比实验结果，分析过程机理。
　　结果证实:初始非饱和物料可以有效减少干燥时间，节约过程能耗。在典型操作条件下，对不同形状物料的冷冻干燥过程进行数值模拟，得到不同时刻物料内部温度和饱和度的分布。一维物料模拟结果显示，在相当大的范围内，物料冷冻干燥时间随着初始饱和度的降低而缩短，但初始饱和度继续降低时，物料冷冻干燥时间会随之延长，这表明冻干过程由传质控制变为传热控制。二维物料的模拟结果显示，物料初始饱和度越低，干燥时间越短，自然生成的升华界面存在于径向和轴向。实验结果表明，初始非饱和物料这一思想可以应用在冷冻干燥实验中，考查操作参数对过程的影响结果表明，物料干燥时间随环境温度的升高而减少。在与实验条件保持一致的情况下对物料的冻干实验进行数值模拟，模拟时间和实验时间基本一致;由物料内部饱和度分布可知，对于模拟形状的物料，升华过程主要发生在径向。