模拟冻干过程

当考虑冷冻干燥过程时，我想起了我小时候尝试过的冻干冰淇淋的宇航员食物。虽然这种冻干的应用对于保存将食物发射到太空很重要，但还有许多令人难以置信的值得注意的应用程序，这些应用程序更靠近家中。让我们看一下冻干过程，如何模拟它以及一些依赖它来运行的产品和设计。乐动体育app无法登录

冷冻干燥的冰淇淋。图像归因：埃文·阿莫斯

冻干的历史

冻干或冻干，是一种脱水过程，通常用于保存可腐烂的食物或材料。它也经常被用作从货物中去除水的一种方式，使其更轻松，更易于运输。人们首次使用冷冻干燥作为保存食品的一种方式，可以追溯到公元1200年，当时人们使用该技术的先驱来储存肉并从收成中生产肉。例如，他们使用安第斯山脉山脉的高海拔和低压，以缓慢从冷冻农作物中清除水，有效地冷冻食物并允许将其储存多年。数百年后，再次使用了冻干过程，这次是为了保存青霉素甚至血浆，以便在第二次世界大战期间从美国运输到欧洲医疗中心。

如今，在许多行业中，冻干被广泛认为是一种重要技术。您会发现，例如在制药行业中，用于保存抗生素，在半导体陶瓷制造中以及通过保存计划（例如恢复受损的文档）。当然，您会发现食品行业中广泛使用的过程，以保留可持续30年的美味小吃。

升华和冻干过程

冻干使用一种称为的技术升华，冷冻液体直接从冷冻状态传递到气态状态。您可能已经在一场摇滚音乐会上看到了这种转变过程，那里的二氧化碳块或干冰块在舞台上营造出“烟熏”气氛。固体跳过液相并直接进入气体相的能力可以通过相图，其中描述了在不同的压力和温度条件下的物质状态。如相图所示，在非常低的压力和温度下，固体可以直接进入气态阶段而无需穿过中间液相。

冻干由两个主要步骤组成。第一步，在小瓶或腔室中冷冻食物，血浆或抗生素等热敏物质。接下来，在腔室中降低压力，并缓慢加入足够的热量，以使冷冻物质（通常是水）升华。该过程的模拟如下所示，在小瓶中，冰成为蒸气。

使用移动网格模拟升华

在模拟冷冻干燥过程时，必须使用移动网格以说明两个材料阶段以及形状变化，而形状的变化则是冰升华。这可以根据在实心气体边界定义的热量和质量平衡分析来建模变形的几何形状界面。移动网格方法允许对两个阶段之间界面的物理现象进行非常详细的描述。该模型的几何形状如下所示：

冻干过程中使用的容器的几何形状。

为了使模拟更有趣，将加热器放置在小瓶下方，以使其仅覆盖容器底部的一半，从而产生不均匀的加热。在模拟的开头（如下所示），容器底部有冰，而容器中的剩余空间由升华产生的蒸气组成。

小瓶中水的初始状态。

随着冰的继续升华，可以测量模型中的温度和通量分布。一段时间t = 1800 s后，熔融冰的比例如下：

30分钟后，融化前线的几何形状。

从这个可视化中，您可以看到，熔化的前沿具有凹形的弯曲形状，该形状在小瓶壁的外边缘周围更高。此外，由于加热在小瓶底部不均匀，因此界面水平略低，接近x>0。随着冰成为蒸气，固体的质量减小，因此固体的网格也必须改变。下图显示了最初（左）和30分钟后（右）的移动网格。如您所见，扫掠网状已更改为遵循后退的冰点前部。

在初始时间（左）移动网格，并在30分钟后（右）移动。

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