Granica faz
Granica fazowa oznacza powierzchnię rozdzielającą dwie fazy termodynamiczne. Na tej granicy właściwości materiału ulegają gwałtownej zmianie. Typowe granice fazowe to granica między ciałem stałym a gazem, ciałem stałym a cieczą oraz cieczą a gazem.
W technice materiałów sypkich granice fazowe zazwyczaj nie występują jako gładkie powierzchnie. Są one rozłożone w przestrzeni i zmienne w czasie. Przyczyną jest duża powierzchnia właściwa proszków, aglomeratów i cząstek porowatych. W związku z tym efektywna powierzchnia graniczna faz jest bardzo duża, mimo że materiał sypki wydaje się makroskopowo zwarty.
W przypadku suchych materiałów sypkich granica faz występuje między cząstkami ciała stałego a otaczającą fazą gazową. Ta granica faz ciało stałe–gaz determinuje przenoszenie ciepła podczas temperowania oraz przenoszenie masy podczas suszenia. Na jej wielkość wpływają rozmiar cząstek, porowatość i stopień wymieszania.
Podczas temperowania przenoszenie ciepła odbywa się przez granicę faz między powierzchnią cząstek a płynem nośnikiem ciepła. Strumień ciepła można ogólnie opisać wzorem:
Q̇ = α A_PB (T_fluid − T_solid)
- Q̇ to szybkość wymiany ciepła
- α to współczynnik wymiany ciepła
- A_PB to efektywna powierzchnia graniczna faz
- T_fluid to temperatura płynu
- T_solid to temperatura ciała stałego
Intensywne mieszanie zwiększa efektywnie wykorzystywaną powierzchnię graniczną faz i poprawia wymianę ciepła. W przypadku suszenia próżniowego granica faz znajduje się pomiędzy wilgocią w stanie ciekłym w cząstkach lub na ich powierzchni a otaczającą fazą gazową. Na tej granicy faz zachodzi przemiana fazowa z cieczy w parę. Przepływ masy przez granicę faz jest określany przez różnicę ciśnień pary:
ṁ ∝ A_PG (p_vapor,liq − p_vapor,gas)
- ṁ to szybkość przenoszenia masy w funkcji czasu
- ∝ to znak proporcjonalności
- A_PG to efektywna powierzchnia graniczna faz
- p_vapor,liq to ciśnienie pary cieczy na powierzchni cząstki
- p_vapor,gas to ciśnienie pary w fazie gazowej
Obniżenie ciśnienia otoczenia powoduje obniżenie temperatury wrzenia i przyspieszenie wymiany masy. Podczas odparowywania i odparowywania ciecz-gazowa powierzchnia graniczna stanowi granicę fazową. Tutaj jednocześnie zachodzi wymiana ciepła i masy. Dostarczone ciepło jest przekształcane na granicy fazowej w entalpię odparowania:
Q̇ = ṁ_vapor Δh_v
- Q̇ to szybkość wymiany ciepła
- ṁ_vapor to strumień masowy odparowanej substancji
- Δh_v to entalpia parowania właściwa
W materiałach sypkich granica fazowa może znajdować się na powierzchni cząstek lub wewnątrz struktur porowatych i może się w trakcie procesu nieustannie przemieszczać.
Położenie, wielkość i dostępność granicy fazy mają decydujący wpływ na wydajność procesów temperowania, suszenia i odparowywania. Określają one zapotrzebowanie na energię i jakość produktu. Poprzez mieszanie, spulchnianie lub ukierunkowaną aglomerację można celowo wpływać na efektywną powierzchnię granicy faz.