Front de phase
Une interface désigne la surface de séparation entre deux phases thermodynamiques. À cette interface, les propriétés de la matière changent brusquement. Les interfaces typiques sont solide-gaz, solide-liquide et liquide-gaz.
Dans la technologie des produits en vrac, les interfaces ne se présentent généralement pas sous forme de surfaces lisses. Elles sont réparties dans l'espace et variables dans le temps. Cela s'explique par la grande surface spécifique des poudres, des agglomérats et des particules poreuses. La surface effective de l'interface de phase est donc très grande, bien que le produit en vrac semble macroscopiquement compact.
Dans le cas des produits en vrac secs, il existe une interface de phase entre les particules solides et la phase gazeuse environnante. Cette interface solide-gaz détermine le transfert de chaleur lors de la mise à température ainsi que le transfert de matière lors du séchage. Sa taille est influencée par la taille des particules, la porosité et le mélange.
Lors de la mise à température, le transfert de chaleur s'effectue via l'interface entre la surface des particules et le fluide caloporteur. Le flux thermique peut être décrit de manière générale par :
Q̇ = α A_PB (T_fluid − T_solid)
- Q̇ est le flux de chaleur
- α est le coefficient de transfert thermique
- A_PB est l'interface de phase effective
- T_fluid est la température du fluide
- T_solid est la température du solide
Un brassage intensif augmente l'interface de phase effectivement utilisée et améliore le transfert de chaleur. Dans le cas du séchage sous vide, l'interface se situe entre l'humidité liquide présente dans ou sur la particule et la phase gazeuse environnante. C'est à cette interface que s'effectue la transition de phase du liquide à la vapeur. Le flux de matière à travers l'interface est déterminé par le gradient de pression de vapeur :
ṁ ∝ A_PG (p_vapor,liq − p_vapor,gas)
- ṁ est le débit massique en fonction du temps
- ∝ est le signe de proportionnalité
- A_PG est l'interface de phase effective
- p_vapor,liq est la pression de vapeur du liquide à la surface de la particule
- p_vapor,gas est la pression de vapeur dans la phase gazeuse
La réduction de la pression ambiante abaisse le point d'ébullition et accélère le transfert de matière. Lors de l'évaporation et de l'évaporation sous vide, l'interface liquide-gaz forme la limite de phase. C'est là que se produisent simultanément le transfert de chaleur et le transfert de matière. La chaleur apportée est convertie en enthalpie d'évaporation à la limite de phase :
Q̇ = ṁ_vapor Δh_v
- Q̇ est le taux de transfert thermique
- ṁ_vapor est le débit massique de la substance évaporée
- Δh_v est l'enthalpie d'évaporation spécifique
Dans les produits en vrac, cette limite de phase peut se situer à la surface des particules ou à l'intérieur de structures poreuses et se déplacer continuellement au cours du processus.
L'emplacement, la taille et l'accessibilité de la limite de phase influencent de manière significative l'efficacité des processus de régulation de température, de séchage et d'évaporation. Ils déterminent les besoins en énergie et la qualité du produit. Le mélange, l'ameublissement ou l'agglomération ciblée permettent d'influencer de manière ciblée l'interface de phase effective.