干燥是一个复杂的热物理过程，以驱除物料内湿分为其主要目标。由于干燥过程中物料升温和湿分蒸发需要消耗大量的热能，使干燥作业成为国民经济中*大的能耗用户之一，因此干燥理论的发展和干燥技术的进步对于节约能源、实现国家能源发展纲要和国民经济的高速持续发展具有重大的经济和社会意义。深入研究干燥过程能量与物质的传递机理，提高过程的能量利用率和干燥产品的质量，发展新一代干燥新技术、新工艺已成为一项具有挑战性的历史使命。

　　多孔介质是一种较为普遍的、由固体骨架和流体组成的一类复合介质，广泛应用于能源、材料、环境科学、化学工程、生物技术、药品、生物、农业工程、冶金、建筑、食品、地质和水文等领域，是大量干燥作业的主体。它的干燥过程，尤其是发生在高紊流区的高强度干燥过程是一个复杂的传热传质过程，研究多孔介质干燥过程对摸索多孔介质传热传质规律具有重要的意义，因此受到了人们极大重视。

　　被干燥介质中湿分存在的状态和分布是关系到干燥过程如何进行的关键因素。水分在多孔含湿介质中的存在形式有两种基本类型：自由水或称游离水与结合水。一般说来，在干燥过程中自由水主要以液态水扩散或渗流的方式排出，而结合水有的只能以蒸汽形式排出，有的可以液态水也可以蒸汽的化学世界形式排出。然而，由于实际多孔介质中多孔结构错综复杂，呈现出极大的多样性与不均匀性，使得识别各类介质中湿分形态与分布难度很大。上述分类仅能给出多孔湿介质中湿分与骨架结合的总貌，不能精确指出每种介质中湿分的分布状态及其在干燥过程不同阶段的排出机理。

　　多孔介质的湿分迁移与干燥过程传热传质理论为了建立传热传质模型，必须了解干燥过程中湿分在多孔介质中的迁移机制。

　　大量的研究表明，在含湿多孔介质的干燥过程中存在着5种可能的湿分迁移机制[2]，它们分别为：（1）湿分（液体和蒸汽）在浓度梯度作用下的扩散迁散；（2）由毛细管力（表面张力）引起的液体在毛细管内的流动迁移；（3）湿分在压力梯度作用下在多孔介质空隙中的渗流迁移；（4）由于介质内部温度梯度而引起的湿分热扩散迁移；（5）湿分在毛细通道中蒸发与冷凝所引起的湿分迁移。同时物料内部会出现一系列超常的传热传质特征，目前人们对它们的了解还很不够，这大大影响了多孔介质干燥技术的进一步发展和应用，因此研究含湿多孔介质内部的热质传递规律具有广泛的应用价值，对节约能源、控制产品质量及提供新型开发技术等方面都起着重要作用。自从利用不可逆热力学原理建立多孔介质热质传递的系统理论后，多孔介质干燥过程中热质传递的数学模拟和分析成为研究重点，但由于理论的特性使模型中系数作了常数性的假设，限制了结果的普适性，因此近年来对多孔介质干燥过程的传递机理及其数学模型的研究引起了国内外的广泛关注，众多学者依据各自研究的物料和干燥方式，提出了各自的干燥机理和模型，如东南大学的施敏恒教授对快速干燥过程中多孔介质内部湿分迁移机理及其超常传质的非斐克效应从实验的角度进行了研究并进行数学物理描述，提出了快速干燥过程中多孔介质内部湿分的挤压流动的理论；重庆大学的李友荣博士对多孔介质干燥过程中的水分蒸发机理及其在干燥过程中固有的体积收缩特性进行了研究；上海交通大学杨世铭教授对多孔介质对流干燥降速段的热质传递规律进行了研究，分析了物理过程的特点，采用等效扩散模型的思路建立了干区的数学模型并给出了数值计算结果，阐述了多孔介质在干燥过程中随水分蒸发过程而表现的不同特性Mujumdar教授也对多孔介质干燥过程中的传热问题进行了研究迄今为止，在研究多孔介质干燥过程中湿分迁移的基础上，已发展了一系列的传热传质机理模型针对土壤中热质传递而建立的扩散模型，认为物料内部的水分先在浓度梯度的作用下以扩散方式迁移至表面，然后在表面汽化；Luikov在研究多孔介质内部传热传质过程时，认为水分的汽化过程可能在整个物料内部发生，汽化速度的快慢可通过引进一个相变因子来反映，从而建立起以温度梯度△T、湿度梯度△和压力梯度△P为驱动力的三场耦合理论，但是，该理论并没有给出相变因子的计算方法，也没明确指出水和蒸汽的迁移机制；WhitakerandChung结合经典输运理论、空间平均定理，采用体积平均的方法，将多相组份的多孔介质转化为更粗水平上的假想连续介质，使干燥过程热质传递模型更接近实际情况；肖宝诚以Whitaker-Chung模型为基础，经过更进一步详细的推导，提出了等效耦合扩散模型；Sher-经过研究提出了渗透蒸发前沿理论，认为当表面水分蒸发完后干燥过程进入降速阶段时，水分蒸发过程将深入到介质内部，且在一个面上进行；PresmyckiandSrumllo提出了区域蒸发的理论模型，并给出了蒸发前沿和后沿界面的计算方法；同时，也有学者以Darcy理论为基础，认为介质内部水分的汽化过程是一个在无限小的势差推动下进行的一个准静态过程，介质内湿空气中水蒸汽分压力即为水分汽化时当地温度下的饱和压力，液态水的迁移和蒸汽的扩散都可以根据Darcy理论计算。所有这些理论都认为物料外部水蒸汽的扩散过程驱动势为水蒸汽质量浓度梯度（或分压力梯度），热量传递过程的驱动势为温度梯度，并据此得到了一系了研究成果，但也得出了一些令人困惑、甚至与热力学原理相悖的结论，如当以质量分数作为扩散过程驱动势时，按照ChowandChung的计算会得到与热力学原理相违背的空气沿化学势增高的方向进行扩散的结论。

　　另一方面，由于多孔介质在干燥过程中往往可能同时存在多种湿分迁移机制，且随着物料的种类、干燥方法与工艺及干燥过程的不同而各自表现出不同的作用，因此还缺少满意的理论，无法建立通用的干燥过程传热传质模型。近年来的发展趋势是将上述综合模型针对具体的干燥方法和介质性质进行校正，以发展对某一类介质或干燥过程适用的干燥传热传质模型，预测干燥过程的特征，指导干燥工艺的设计，达到提高干燥过程能量利用率与干燥产品质量的目的。

　　多孔介质喷雾干燥过程中的传递机理化学世界喷雾干燥过程的机理是：雾滴离开雾化器后，在干燥室内与干燥介质混合，在两者的边界层内同时发生热量和质量交换。雾滴在干燥时，热量与质量的传递速率是雾滴周围干燥介质的温度、湿度、传递特性、雾滴直径和雾滴对干燥介质的相对速度的函数。

　　由于雾滴与干燥介质之间具有较大的相对速度，在发生热量传递和质量传递的同时，也会发生动量的传递。

　　喷雾干燥中，雾滴与干燥介质之间不断发生的热质交换可分别用传热数和传质数来表示。有相对速度时，由于边界层周围干燥介质的对流导致水分蒸发的加快，因而雾滴的蒸发速度随雾滴与空气间相对速度的增加而增加，此时球形雾滴的总传递系数可表示为在喷雾干燥条件下，雾滴在雷诺数远远低于100时即发生大量蒸发。因此广泛应用兰兹-马歇尔方程式表示雾滴的传递系数，即上式中取k式，为2.1传热干燥过程中，料雾与干燥介质接触时，热量以对流方式由干燥介质传递给雾滴。雾滴吸收干燥介质的显热后，雾滴表面水分汽化，水蒸汽通过围绕雾滴的边界层进入干燥介质。考虑到干燥室中干燥介质流动和雾滴粒子运动的特性，整个干燥过程中发生的传热可认为属于强制对流传热，对传热系数的影响全部包括在有关准数中。对于球形雾滴，其传热过程可表示为雾滴与干燥介质之间通过边界层传递的热量为：将代入上式，得式中：dt，传热速率；kd，干燥介质的导热系数；D，雾滴的直径；Ta，雾滴周围干燥介质的温度；Ts，雾滴表面的温度。

　　传质喷雾干燥过程中干燥介质传递给雾滴的热量主要用于水分的蒸发。MastersK认为，无论在干燥过程的哪一阶段，由干燥介质传递来的热量都始终全部由雾滴吸收并用于水分的蒸发，蒸发热与传导热之间能始终保持平衡，因此有：式中dt，传热速率；dt，水分蒸发速率；对于恒速干燥阶段，这与实验结果是相符的。但在降速干燥阶段，因雾滴表面无法继续保持湿润，传质速率比传热速率要小，两者之间不可能始终保持平衡。对此，MastersK认为，一旦干燥介质对雾滴的传热速率高于雾滴对干燥介质的传质速率，在干燥过程中会自动调整雾滴的温度，进而也调整雾滴的饱和蒸汽压，达到调整雾滴传质速率，维持两者之间的平衡的目的。

　　但这种处理方案具有明显的矛盾和不足之处：既然干燥介质传递给雾滴的热量全部用于雾滴中水分的蒸发，那么，调整雾滴升温所需的热量将无从计出；雾滴在干燥过程中的蒸发量仅与干燥介质传递给雾滴的热量有关，而雾滴的蒸发量又是通过传质方程计算得来的，在所给假定下，要使这两者之间能同时满足，必须对雾滴的温度进行调整，需要进行迭代计算处理。这将使计算过程变得较为复杂。

　　为此，通过大量实验和分析，我们认为：在恒速干燥阶段，雾滴内部的水分可以自由扩散到雾滴表面，相当于纯水滴的蒸发。干燥介质传给雾滴的热量几乎全部用于雾滴中水分的蒸发，传质和传热能瞬时达到平衡式（6）可按下式进行计算：H，以湿含量表示的传质系数；（H湿含量表示的传质推动力；Hw，雾滴表面的饱和湿含量；Ha，雾滴周围干燥介质的湿含量；Kp，以蒸汽压差表示的传质系数；（P），以蒸汽压表示的化学世界传质推动力；Psat，雾滴表面的饱和蒸汽压；Pa，雾滴周围干燥介质的水蒸汽压；Mp，水的相对分子质量；，水的蒸发潜热。

　　如果用传质数Sh来表示蒸发速率，并将K代入，可得将式（6）和式（8）代入式（5），整理可得：可见，在恒速阶段内，粒子的温度也并非恒定，只是因为改变的幅度很小，可视之为恒定而已。

　　进入降速阶段后，雾滴内部水分向表面的扩散过程变得比较困难，由干燥介质传递给雾滴的热量不能完全消耗于水分的蒸发，还有一部分使雾滴升温。在时间段内总传递的热量仍可按式（5）计算。

　　同一时间内所蒸发的水分可按式（8）计算，但雾滴表面的饱和湿度就换成表面湿度由水分蒸发所带走的热量可按下式计算剩余部分的热量用来使雾滴的温度升高。设这一时间段内雾滴的温度升高dTs，则有：式中：ml，液体的质量；ms，干粉的质量；Cp，液体的密s，干粉的密度。

　　整个过程中的热量应保持平衡（忽略热损失），有：可得这种方案直观地反映了多孔介质雾滴发生的状态变化情况，体现了喷雾干燥的过程特性，因而比较合理。

　　实验结果分析与讨论根据螺旋藻（螺旋状纤维，初始含湿量为90.6%，属高初始含湿多孔介质）的喷雾干燥试验结果，得出不同干燥阶段介质中湿分与传质推动力的关系。在恒速干燥阶段，雾滴表面的蒸汽分压始终等于雾滴表面温度下液体的饱和蒸汽压，其与干燥介质中的水蒸汽分压之差为过程的推动力；当雾滴经过临界点后，雾滴内部水分向表面自由扩散的过程因所受阻力变大而变得困难起来，雾滴表面因不能再继续保持润湿而使水蒸汽分压逐步下降，温度逐步升高，此时进入降速阶段。

　　（2）随着蒸发过程的进行，雾滴内的水分继续减少，如果在湿度足够低的干燥介质中，雾滴表面的蒸汽分压将继续下降，以至于出现P的情况。而在干燥器内，干燥介质中的水分将向粒子表面扩散，但也仅止于粒子表面处，因为这些水分向粒子内部的扩散与固体在潮湿空气中的吸潮过程相类似，需要很长时间才能达到图1所示的平衡状态。这种扩散过程是很缓慢的，与干燥介质中水分向粒子表面处的扩散相比可以忽略不计，而认为在粒子表面处，只有边界层外扩散来的蒸汽的积累而无水分向粒子内部的渗透，粒子表面处的实际蒸汽分压等于干燥介质中的蒸汽分压，即Pa.此时两者之间的传质推动力P为零，传质过程达到动态平衡，出现所谓的“不传质”状态。如图中Ⅱ区所示。

　　（3）在喷雾干燥器内，干燥介质的水蒸汽分压有可能较大，甚至大于粒子（特别是粒径较小的粒子）表面温度下的饱和蒸汽压Psat.此时粒子表面与干燥介质之间的蒸汽分压差为负，发生水分从干燥介质向粒子表面凝结并向内部扩散的反向传质过程，这就是所谓的吸湿过程，如图中Ⅲ区所示。

　　然而，这种吸湿现象并不是所有物料干燥过程中都可能发生的，因此，传统观点认为，物料干燥过化学世界（a）并流操作（b）逆流操作（图中，……表示粒子表面蒸汽分压，P程中根本不可能发生第Ⅲ区的情况，但我们的实验研究与模拟计算均表明，在实际喷雾干燥过程中，上述第Ⅲ区是有可能发生的。在并流式喷雾干燥中，从雾化器出来的雾滴粒子群总不是十分均匀的，小粒子干燥得比大粒子快，先达到所要求的干燥程度；而大粒子因还含有较多的水分而继续干燥，使干燥介质的湿度进一步提高。干燥的后阶段就有可能因干燥介质中湿含量过大而导致小粒子发生吸湿。在逆流操作中，当粒子刚进入干燥室时，温度较低，而所接触的是接近于排出口的干燥介质，温度很高，也可能发生吸湿现象。

　　综上所述，在多孔湿介质的干燥过程中，往往同时存在多种湿分迁移机制，且随着介质的种类、干燥方法与工艺以及干燥过程的不同而各自表现出不同的作用。上述对喷雾干燥过程中多孔介质的传热传质的分析，为高初始含湿多孔介质喷雾干燥过程的数学模拟奠定了理论基础，为喷雾干燥设备的准确设计提供了理论指导，具有较大的理论与现实意义。