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冻干机冷阱设计与冻干过程中水蒸气的传输

来源: 新芝冻干机  作者: 新芝冻干机  Time: 2021-01-20

冻干机冷阱设计与冻干过程中水蒸气的传输

冷阱在冻干机设备中扮演一个至关重要的角色,它的设计和性能直接影响了冻干过程中水蒸气的传输,继而可能影响产品温度和真空度等关键参数,并对产品质量产生一定的影响。
本篇简要介绍冻干机冻干过程中的水蒸气传输过程,冷阱设计的要点及其对冻干工艺和产品质量的影响。
一、冻干过程中的水蒸气传输
冻干机冷阱设计与冻干过程中水蒸气的传输。
在冻干工艺中的升华干燥开始后,在预冻阶段形成的冰在真空和搁板供热的条件下升华成为水蒸气。由于水蒸气的体积相对其他气体较大,真空泵无法在冻干的压力范围内将其移除。在冻干过程中,实际移除水蒸气的是冷凝器,亦称冷阱,一些文献也称冷阱为”水蒸气泵”。
以双腔冻干机为例,水蒸气从形成至被冷阱移除,其传输会受到以下一系列因素的限制:
(1)   干燥产品阻力
(2)   胶塞阻力
(3)   干燥箱—冷阱管道阻力
(4)   水蒸气在冷阱中凝华成为冰的阻力
(5)   制冷系统移除凝华产生热时的阻力
在以上阻力中,干燥产品阻力所占比重Z大,可达传质阻力总量的80%至90%左右,从而在很大程度上决定升华干燥时间和产品温度。因此,干燥产品阻力通常是人们研究升华干燥的重点。但与此同时,冷阱的捕捉水蒸气的能力,即阻力(3)至(5)对冻干工艺以及冻干制品质量同样有较大的影响。如果水蒸气不能顺利从干燥箱进入冷阱腔体(即干燥箱—冷阱管道阻力过大),或者冷阱过载,不再能有效地捕捉进入冷阱腔体的水蒸气(即阻力(4)和(5)较大)时,干燥箱内真空度则会失控,发生明显的上升。
二、干燥箱内真空度失控后果
当冻干工艺在一个较为保守的条件(低搁板温度,低真空度)下进行时,由于升华速率不高,产生的水蒸气可以顺利进入冷阱,并凝华成为冰。但对于一个塌陷温度较高,甚至在冰融化前不发生塌陷和共融的产品来说,人们通常会倾向于在较高的搁板温度和真空度进行干燥,以提高升华速率,缩短干燥时间。在这种情况下,冻干机干燥箱内的真空度有可能会失控。此外,若采用托盘冻干,由于升华面积较大,并且没有胶塞阻力,升华速率会比相同情况下的西林瓶冻干较大,升华干燥中也需留意干燥箱内真空度是否出现失控的情况。
升华干燥中,如果干燥箱内真空度失控上升,会导致以下后果:
(1)由于干燥箱真空度属于关键工艺参数,它的失控可被判定为工艺失败。
(2)产品温度对干燥箱真空度的变化比对搁板温度的变化敏感。干燥箱真空度的上升会导致两个效应。首先,真空度的上升会使升华界面冰的蒸汽压和干燥箱压力差减小,从而使升华速率下降,升华带来的降温效应随之减小。其次真空度的上升会使搁板传递给产品的热量增加。这两个效应的总和是产品温度的迅速上升。如果产品温度在原始设定的搁板温度和真空度下较贴近塌陷温度,真空度失控上升则会使产品出现严重萎缩,甚至塌陷的风险。此外,产品温度通常被认为对产品的效价和安全性有直接影响。升华干燥中,如果产品温度出现不可预测的上升,Z终产品的质量很有可能会受到影响。
(3)如果冻干机干燥箱真空度失控是因冷阱过载产生,大量未被凝华的水蒸气会进入真空泵,从而影响泵的使用寿命。
三、理想冷阱需满足的要求
为了保证在升华速率较大的情况下,水蒸气依然能被有效地捕捉,冷阱在设计上须满足以下的几个基本要求:
(1)干燥箱和冷阱间管道的几何构造应允许大量水蒸气的传输。通道的直径通过计算得到,确保水蒸气Z大流速少于100m/s,同时理想的管道长度l和其直径d的比值l/d = 1.6。细长形的管道对水蒸气的传输通常会产生较大的阻力。
(2)制冷盘管的表面积应足够大。水蒸气凝华到制冷盘管表面后会形成冰层,此冰层越厚,冰层表面和制冷盘管的温差就越大,水蒸气凝华到冰层面也会愈加缓慢(即阻力(4)越大)。为了减小冰层的厚度,制冷盘管的表面积就需相应增大。
(3)制冷盘管入口和出口处的温差应尽量小,以保证在盘管上形成的冰层较均匀,确保水蒸气可以在面积较大的表面上凝华。
(4)冻干机冷阱和真空泵连接的位置应在冷阱的最低处。这是因为永久气体,如氧气,氮气等在冷阱温度下不发生凝结的气体的密度比水蒸气大,易在冷阱底部浓缩。如果这些气体充满冷阱腔体,水蒸气凝华到盘管或冰层表面的速率将会下降,从而形成雪花状冰晶。这种“雪冰“的导热率大大小于光滑的冰层(即迅速凝华形成的冰),从而减慢了后续水蒸气的凝华。

以上资料来自网络,感谢分享!

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