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大连理工大学学报 2014年第1期54卷 6-12页

作者：王维陈墨王威潘艳秋陈国华大连理工大学化工机械学院辽宁大连116024 大连民族学院生命科学学院辽宁大连116600 大连理工大学化工学院辽宁大连116024 大连市第四人民医院职业卫生科辽宁大连116001 香港科技大学化学与生物分子工程系

为提高过程的经济性,提出了液体物料初始非饱和冷冻干燥的技术思想．推导了冷冻干燥质、热耦合传递模型,模型采用了新的吸附-解吸平衡关系,并考虑了吸湿效应．控制方程用有限容积法进行数值求解．待干水溶液中的溶质选用典型的药物赋形... 详细信息

为提高过程的经济性,提出了液体物料初始非饱和冷冻干燥的技术思想．推导了冷冻干燥质、热耦合传递模型,模型采用了新的吸附-解吸平衡关系,并考虑了吸湿效应．控制方程用有限容积法进行数值求解．待干水溶液中的溶质选用典型的药物赋形剂——甘露醇．结果表明,初始非饱和多孔物料能够显著减少干燥时间,达到强化冷冻干燥的目的．随初始孔隙率 ε_0（1-S_0）的不断增大,干燥时间逐渐缩短；在物料初始饱和度 S_0为0.30~0.35时,干燥时间达到最短．依据干燥过程中饱和度和温度的分布,分析了物料内部质、热传递机理和干燥速率控制因素．对有效质量扩散系数 K_S 和有效导热系数 λ＋K_T ΔH 的分析显示,随着冷冻干燥的进行,物料瞬时孔隙率 ε_0（1-S）不断增大,过程将由传质控制逐渐变为传热控制．

关键词：初始非饱和冷冻干燥数值模拟传热传质多孔介质

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初始非饱和液体物料冷冻干燥二维数值验证

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干燥技术与设备 2014年第2期12卷 42-48页

作者：王威陈墨潘艳秋王维大连理工大学化工与环境生命学部辽宁大连116024

为提高过程经济性,对初始非饱和液体物料冷冻干燥这一思想进行二维数值验证。建立含湿多孔介质冷冻干燥二维柱坐标数学模型,使用有限体积法对控制方程组进行数值求解。模拟结果显示,初始非饱和冷冻物料确实能够有效减少干燥时间,达到强... 详细信息

为提高过程经济性,对初始非饱和液体物料冷冻干燥这一思想进行二维数值验证。建立含湿多孔介质冷冻干燥二维柱坐标数学模型,使用有限体积法对控制方程组进行数值求解。模拟结果显示,初始非饱和冷冻物料确实能够有效减少干燥时间,达到强化冷冻干燥过程的目的,干燥时间随着初始孔隙率的增大而减小。对模拟得到的不同时刻物料内部饱和度和温度的侧形进行分析。

关键词：冷冻干燥初始非饱和干燥时间初始孔隙率传热传质

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吸波材料辅助多孔物料微波冷冻干燥多物理场分析

吸波材料辅助多孔物料微波冷冻干燥多物理场分析

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作者：杨菁大连理工大学

学位级别：硕士

在各种干燥方法中,冷冻干燥产品质量最高。因此,冷冻干燥广泛应用于食品、医药等领域中,是一种不可替代的干燥方法。然而,干燥时间长、能耗大的问题制约了冷冻干燥的应用。冷冻干燥是热质耦合传递过程,单一强化传热或者传质其中一个因素... 详细信息

在各种干燥方法中,冷冻干燥产品质量最高。因此,冷冻干燥广泛应用于食品、医药等领域中,是一种不可替代的干燥方法。然而,干燥时间长、能耗大的问题制约了冷冻干燥的应用。冷冻干燥是热质耦合传递过程,单一强化传热或者传质其中一个因素,另一个必然会成为过程速率的控制因素。为了缩短干燥时间和提高能量利用率,本文提出:吸波材料辅助微波加热的非饱和多孔物料冷冻干燥。即用吸波材料辅助微波加热强化传热,用预制好的初始非饱和物料强化传质,实现传热传质同时强化。本文在理论和实验上探究了微波对传统冷冻干燥过程的强化作用和吸波材料辅助强化的可行性。在理论方面,建立了多孔介质温度、浓度和电磁场耦合的多相传递模型,并且在基于有限元法的COMSOL Multiphysics中实现了数值求解。在实验方面,以甘露醇水溶液为待干料液进行了微波冷冻干燥实验,并测定了甘露醇固体的介电特性。吸波材料选择烧结的碳化硅(SiC)。模拟和实验结果均表明,吸波材料辅助微波加热能够有效强化液体物料的冷冻干燥过程。初始非饱和样品微波冷冻干燥时间比传统冷冻干燥缩短了18%,比常规饱和样品传统冷冻干燥缩短了30%。模拟结果与实验数据吻合良好。这表明,本文提出的新型干燥方法确实能够实现过程传热传质的同时强化。通过考察样品内部温度、饱和度和电场强度的实时分布,分析了微波冷冻干燥过程的传热传质和电磁波传播与耗散机理。不同于传统冷冻干燥过程,微波冷冻干燥结束时样品组件的平均温度显著高于环境温度,“冰冻核心”位于样品上部。样品内部电场分布与温度以及饱和度的分布密切相关。电磁波穿过样品时,强度会减弱,一部分电磁能转化成热能。在微波冷冻干燥过程中,初始非饱和样品累计吸收的辐射能和微波能的总和与传统冷冻干燥相当。这说明,该干燥方法只是提高了能量效率,从而显著缩短了冷冻干燥时间,大幅提高了冻干过程的经济性。最后,本文对微波冷冻干燥的影响因素进行了探讨。提高微波功率和提高操作温度都可以加快干燥过程,但过高的微波功率和操作温度会使样品烧焦甚至过热熔化。因此,要谨慎确定适宜的微波功率和操作温度。样品位置影响其对微波的吸收,确定最佳的样品位置对提高微波利用率具有重要作用。初始非饱和物料和微波的强化作用与物料几何形状有关。因此,必须合理确定待干样品的直径与填充厚度。物料的介电损耗因子极大地影响着微波冷冻干燥过程。在电场强度一定时,损耗因子越大,吸收的微波能越多。对于损耗因子很大的物料,无需吸波材料辅助;对于损耗因子较小的物料,因其电磁能转换成热能的耗散功率较小,利用吸波材料底盘强化传热非常必要。

关键词：微波冷冻干燥吸波材料传热传质初始非饱和介电损耗因子

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液体物料非饱和冷冻干燥及其过程强化

液体物料非饱和冷冻干燥及其过程强化

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作者：李强强大连理工大学

学位级别：硕士

冷冻干燥是指将含湿物料在低温低压条件下脱除水分的过程。虽然冷冻干燥产品质量高,但是干燥时间长、能耗高的问题始终存在。如何缩短干燥时间、强化冷冻干燥过程成为冷冻干燥领域研究的一个重要方向。对于常规液体物料的冷冻干燥,物料... 详细信息

冷冻干燥是指将含湿物料在低温低压条件下脱除水分的过程。虽然冷冻干燥产品质量高,但是干燥时间长、能耗高的问题始终存在。如何缩短干燥时间、强化冷冻干燥过程成为冷冻干燥领域研究的一个重要方向。对于常规液体物料的冷冻干燥,物料冻结后,内部没有孔隙。干燥过程中,升华界面向内退却,水蒸气迁移仅存在于冰晶升华留下的孔隙中。如果将待干料液制成具有初始孔隙的非饱和冷冻物料,物料的初始孔隙可以减小水蒸气迁移过程的阻力,冷冻干燥速率可望提高。本论文使用维生素C为溶质,制备了初始饱和与初始非饱和物料,探究两种物料的冷冻干燥过程,并试图通过不同方式强化干燥过程。实验结果表明:使用软冰技术制备的饱和维生素C,其冷冻干燥过程更稳定,干燥产品呈现均匀的多孔结构,避免了维生素C的崩塌;具有一定初始孔隙的多孔物料对液体物料冷冻干燥过程具有显著的强化作用;冷冻物料的初始饱和度越小,干燥时间越短,非饱和冷冻物料(S=0.25)的干燥时间比常规冷冻物料(S=1.00)可节省30.4%;物料内部结构的SEM形貌表征显示,非饱和物料内部具有更大的均匀球状孔,减小了水蒸气的迁移阻力;两种冷冻物料的干燥时间均随环境温度的升高而减少,压力对干燥时间影响不大;饱和物料的干燥速率经历升速、恒速和降速三个阶段,而非饱和物料始终处于降速阶段,并且非饱和物料干燥速率高于饱和物料;相同湿含量条件下,固含量对干燥过程影响不大。微波冷冻干燥装置的微波腔应该是微波真空一体式结构,双层结构微波腔会使微波功率衰减;吸波材料SiC辅助可以强化微波冷冻干燥过程;组合加热显著缩短了两种物料干燥时间,在组合加热条件下非饱和物料的干燥时间仍然比饱和物料干燥时间短;非饱和物料的预制孔隙结构结合乙醇共溶剂饱和蒸气压大的特点,使得乙醇共溶剂可以显著强化非饱和物料干燥过程。

关键词：冷冻干燥维生素C 初始非饱和软冰过程强化

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非饱和多孔物料冷冻干燥数值验证和实验比较

非饱和多孔物料冷冻干燥数值验证和实验比较

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作者：王威大连理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：冷冻干燥初始非饱和干燥时间传热传质多孔介质

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