凍干機冷阱設計與凍干過程中水蒸氣的傳輸

來源: 新芝凍干機  作者: 新芝凍干機  Time: 2021-01-20

冷阱在凍干機設備中扮演一個至關重要的角色，它的設計和性能直接影響了凍干過程中水蒸氣的傳輸，繼而可能影響產品溫度和真空度等關鍵參數，并對產品質量產生一定的影響。
本篇簡要介紹凍干機凍干過程中的水蒸氣傳輸過程，冷阱設計的要點及其對凍干工藝和產品質量的影響。
一、凍干過程中的水蒸氣傳輸
凍干機冷阱設計與凍干過程中水蒸氣的傳輸。
在凍干工藝中的升華干燥開始后，在預凍階段形成的冰在真空和擱板供熱的條件下升華成為水蒸氣。由于水蒸氣的體積相對其他氣體較大，真空泵無法在凍干的壓力范圍內將其移除。在凍干過程中，實際移除水蒸氣的是冷凝器，亦稱冷阱，一些文獻也稱冷阱為”水蒸氣泵”。
以雙腔凍干機為例，水蒸氣從形成至被冷阱移除，其傳輸會受到以下一系列因素的限制：
（1）   干燥產品阻力
（2）   膠塞阻力
（3）   干燥箱—冷阱管道阻力
（4）   水蒸氣在冷阱中凝華成為冰的阻力
（5）   制冷系統移除凝華產生熱時的阻力
在以上阻力中，干燥產品阻力所占比重Z大，可達傳質阻力總量的80%至90%左右，從而在很大程度上決定升華干燥時間和產品溫度。因此，干燥產品阻力通常是人們研究升華干燥的重點。但與此同時，冷阱的捕捉水蒸氣的能力，即阻力（3）至（5）對凍干工藝以及凍干制品質量同樣有較大的影響。如果水蒸氣不能順利從干燥箱進入冷阱腔體（即干燥箱—冷阱管道阻力過大），或者冷阱過載，不再能有效地捕捉進入冷阱腔體的水蒸氣（即阻力（4）和（5）較大）時，干燥箱內真空度則會失控，發生明顯的上升。
二、干燥箱內真空度失控后果
當凍干工藝在一個較為保守的條件（低擱板溫度，低真空度）下進行時，由于升華速率不高，產生的水蒸氣可以順利進入冷阱，并凝華成為冰。但對于一個塌陷溫度較高，甚至在冰融化前不發生塌陷和共融的產品來說，人們通常會傾向于在較高的擱板溫度和真空度進行干燥，以提高升華速率，縮短干燥時間。在這種情況下，凍干機干燥箱內的真空度有可能會失控。此外，若采用托盤凍干，由于升華面積較大，并且沒有膠塞阻力，升華速率會比相同情況下的西林瓶凍干較大，升華干燥中也需留意干燥箱內真空度是否出現失控的情況。
升華干燥中，如果干燥箱內真空度失控上升，會導致以下后果：
（1）由于干燥箱真空度屬于關鍵工藝參數，它的失控可被判定為工藝失敗。
（2）產品溫度對干燥箱真空度的變化比對擱板溫度的變化敏感。干燥箱真空度的上升會導致兩個效應。首先，真空度的上升會使升華界面冰的蒸汽壓和干燥箱壓力差減小，從而使升華速率下降，升華帶來的降溫效應隨之減小。其次真空度的上升會使擱板傳遞給產品的熱量增加。這兩個效應的總和是產品溫度的迅速上升。如果產品溫度在原始設定的擱板溫度和真空度下較貼近塌陷溫度，真空度失控上升則會使產品出現嚴重萎縮，甚至塌陷的風險。此外，產品溫度通常被認為對產品的效價和安全性有直接影響。升華干燥中，如果產品溫度出現不可預測的上升，Z終產品的質量很有可能會受到影響。
（3）如果凍干機干燥箱真空度失控是因冷阱過載產生，大量未被凝華的水蒸氣會進入真空泵，從而影響泵的使用壽命。
三、理想冷阱需滿足的要求
為了保證在升華速率較大的情況下，水蒸氣依然能被有效地捕捉，冷阱在設計上須滿足以下的幾個基本要求：
（1）干燥箱和冷阱間管道的幾何構造應允許大量水蒸氣的傳輸。通道的直徑通過計算得到，確保水蒸氣Z大流速少于100m/s,同時理想的管道長度l和其直徑d的比值l/d = 1.6。細長形的管道對水蒸氣的傳輸通常會產生較大的阻力。
（2）制冷盤管的表面積應足夠大。水蒸氣凝華到制冷盤管表面后會形成冰層，此冰層越厚，冰層表面和制冷盤管的溫差就越大，水蒸氣凝華到冰層面也會愈加緩慢（即阻力（4）越大）。為了減小冰層的厚度，制冷盤管的表面積就需相應增大。
（3）制冷盤管入口和出口處的溫差應盡量小，以保證在盤管上形成的冰層較均勻，確保水蒸氣可以在面積較大的表面上凝華。
（4）凍干機冷阱和真空泵連接的位置應在冷阱的最低處。這是因為永久氣體，如氧氣，氮氣等在冷阱溫度下不發生凝結的氣體的密度比水蒸氣大，易在冷阱底部濃縮。如果這些氣體充滿冷阱腔體，水蒸氣凝華到盤管或冰層表面的速率將會下降，從而形成雪花狀冰晶。這種“雪冰“的導熱率大大小于光滑的冰層（即迅速凝華形成的冰），從而減慢了后續水蒸氣的凝華。

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