Фазовый граница
Фазовая граница обозначает разделительную поверхность между двумя термодинамическими фазами. На этой границе свойства вещества резко меняются. Типичными фазовыми границами являются границы «твердое тело–газ», «твердое тело–жидкость» и «жидкость–газ».
В технологии сыпучих материалов фазовые границы, как правило, не представляют собой гладкие поверхности. Они распределены в пространстве и изменяются во времени. Причиной этого является большая удельная поверхность порошков, агломератов и пористых частиц. В результате эффективная граница фаз очень велика, хотя сыпучий материал макроскопически выглядит компактным.
В случае сухих сыпучих материалов граница фаз проходит между твердыми частицами и окружающей газовой фазой. Эта граница раздела твердое вещество–газ определяет теплообмен при терморегулировании, а также массообмен при сушке. На ее размер влияют размер частиц, пористость и степень перемешивания.
При терморегулировании теплообмен происходит через границу раздела фаз между поверхностью частиц и теплоносителем. Тепловой поток в общем случае описывается формулой:
Q̇ = α A_PB (T_fluid − T_solid)
- Q̇ — скорость теплопередачи
- α — коэффициент теплопередачи
- A_PB — эффективная граница раздела фаз
- T_fluid — температура жидкости
- T_solid — температура твердого вещества
Интенсивное перемешивание увеличивает эффективно используемую границу раздела фаз и улучшает теплообмен. При вакуумной сушке граница фаз проходит между жидкой влагой внутри или на частицах и окружающей газовой фазой. На этой границе фаз происходит фазовый переход из жидкости в пар. Поток вещества через границу фаз определяется перепадом давления пара:
ṁ ∝ A_PG (p_vapor,liq − p_vapor,gas)
- ṁ — скорость массопереноса во времени
- ∝ — знак пропорциональности
- A_PG — эффективная граница раздела фаз
- p_vapor,liq — давление пара жидкости на поверхности частицы
- p_vapor,gas — давление пара в газовой фазе
Понижение давления окружающей среды приводит к снижению температуры кипения и ускорению массопереноса. При испарении и выпаривании граница раздела жидкость–газ образует фазовую границу. Здесь одновременно происходят тепло- и массоперенос. Подаваемое тепло преобразуется на фазовой границе в энтальпию испарения:
Q̇ = ṁ_vapor Δh_v
- Q̇ — скорость теплопередачи
- ṁ_vapor — массовый расход испаряемого вещества
- Δh_v — удельная энтальпия испарения
В сыпучих материалах эта граница фаз может находиться на поверхности частиц или внутри пористых структур и непрерывно смещаться в ходе процесса.
Расположение, размер и доступность границы фаз существенно влияют на эффективность процессов терморегулирования, сушки и испарения. Они определяют потребность в энергии и качество продукта. С помощью перемешивания, разрыхления или целенаправленной агломерации можно целенаправленно влиять на эффективную границу фаз.