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影響冷凍干燥過程的因素

2025年05月06日 10:38:46      來源:萬得勒(廈門)機械設(shè)備有限公司 >> 進入該公司展臺      閱讀量:3

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影響干燥過程的因素

冷凍干燥過程實際上是水的物態(tài)變化及其轉(zhuǎn)移過程。含有大量水分的生物制品首先凍結(jié)成固體,然后在真空狀態(tài)下由固態(tài)冰直接升華成水蒸汽,水蒸汽又在冷凝器內(nèi)凝華成冰霜,干燥結(jié)束后冰霜熔化排出。在凍干箱內(nèi)得到了需要的冷凍干燥產(chǎn)品,干燥過程如圖十七所示。


凍干過程有二個放熱過程和二個吸收過程:液體生物制品放出熱量凝固成固體生物制品為放熱過程;固體生物制品在真空下吸收熱量升華成水蒸汽為吸熱過程;水蒸汽在冷凝器中放出熱量凝華成冰霜為放熱過程;凍干結(jié)束后冰霜在冷凝器中吸收熱量熔化成水為吸熱過程。

整個凍干過程中進行著熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。熱量的傳遞貫穿冷凍干燥的全過程中。預凍階段、干燥的階段和第二階段以及化霜階段均進行著熱量的傳遞;質(zhì)量的傳遞僅在干燥階段進行,凍干箱制品中產(chǎn)生的水蒸汽到冷凝器內(nèi)凝華成冰霜的過程,實際上也是質(zhì)量傳遞的過程,只有發(fā)生了質(zhì)量的傳遞,產(chǎn)品才能獲得干燥。在干燥階段,熱的傳遞是為了促進質(zhì)的傳遞,改善熱的傳遞也能改善質(zhì)的傳遞。

如果在產(chǎn)品的升華過程中不提供熱量,那么產(chǎn)品由于升華吸收自身的熱量使其自身的溫度下降,升華速率也逐漸下降,直到產(chǎn)品溫度相等于冷凝器的表面溫度,干燥便停止進行。這時從凍結(jié)產(chǎn)品到冷凝器表面的水蒸汽分子數(shù)與從冷凝器表面返回到凍結(jié)產(chǎn)品的水蒸汽分子數(shù)相等,凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽壓力等于零,達到動態(tài)平衡狀態(tài)。

如果一個外界熱量加到凍結(jié)產(chǎn)品上,這個動態(tài)平衡狀態(tài)就被破壞,凍結(jié)產(chǎn)品的溫度就高于冷凝器表面的溫度,凍干箱和冷凝器之間便產(chǎn)生了水蒸汽壓力差,形成了從凍干箱流向冷凝器的水蒸汽流。由于冷凝器制冷的表面凝華水蒸汽為冰霜,使冷凝器內(nèi)來自由凍干箱內(nèi)的水蒸汽不斷地被吸附掉,冷凝器內(nèi)便保持較低的蒸汽壓力;而凍干箱內(nèi)流走的水蒸汽又不斷被產(chǎn)品中升華的水蒸汽得到補充,維持凍干箱內(nèi)較高的水蒸汽壓力。這一過程的不斷進行,使產(chǎn)品逐步得到了干燥。

升華首先從產(chǎn)品的表面開始,在干燥進行了一段時間之后,在凍結(jié)產(chǎn)品上面形成了一層已干燥的產(chǎn)品,產(chǎn)生了干燥產(chǎn)品與凍結(jié)產(chǎn)品之間的交界面(也稱升華界面)。交界面隨著干燥的進行不斷下降,直到升華完畢交界面消失。當產(chǎn)生了交界面之后,水分子要穿越這層已干燥的產(chǎn)品才能進入空間;水分子跑出交界面之后,進入已經(jīng)干燥產(chǎn)品的某一間隙內(nèi)。以后可能還要穿過許多這樣的間隙后,才能從產(chǎn)品的縫隙進入空間。也可以經(jīng)過一些轉(zhuǎn)折又回到凍結(jié)產(chǎn)品之中,干燥產(chǎn)品內(nèi)的間隙有時象迷宮一樣。

當水分子跑出產(chǎn)品表面以后,它的運動路徑還很曲折??赡芘c玻璃瓶壁碰撞、可能與玻璃瓶上橡膠塞碰撞、可能與凍干箱的金屬板壁碰撞、也經(jīng)常發(fā)生水分子之間的相互碰撞,然后進入冷凝器內(nèi)。當水分子與冷凝器的制冷表面發(fā)生碰撞時,由于該表面的溫度很低,低溫表面吸收了水分子的能量,這樣水分子便失去了動能,使其沒有能量再離開冷凝器的制冷表面,于是水分子被“捕獲”了。大量水分子捕獲后在冷凝器表面形成一層冰霜,這樣冷凝器表面溫度就略有上升,但隨來自于凍干箱內(nèi)的水蒸汽負荷的逐漸減少,冷凝器冰霜表面溫度就慢慢下降,從而也慢慢降低了系統(tǒng)內(nèi)的水蒸汽壓力,使凍干箱內(nèi)的水蒸汽不斷地流向冷凝器。隨著時間的延長,凍干箱內(nèi)不斷對產(chǎn)品進行加熱以及冷凝器的持久工作,產(chǎn)品逐漸得到了干燥。

干燥的速率與凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差成正比,與水蒸汽流動的阻力成反比。水蒸汽的壓力差越大,流動的阻力越小,則干燥的速率越快。水蒸汽的壓力差取決與冷凝器的有效溫度和產(chǎn)品溫度的溫度差。因此要盡可能地降低冷凝器的有效溫度和限度地提高產(chǎn)品的溫度。

水蒸汽的流動阻力來自以下幾個方面:

⑴產(chǎn)品內(nèi)部的阻力:水分子通過已經(jīng)干燥的產(chǎn)品層的阻力。這個阻力的大小與干燥物質(zhì)層的結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的種類、成份、濃度、保護劑等有關(guān)。

⑵容器的阻力:容器的阻力主來自瓶口之處。因為瓶口的截面較小,瓶口處可能還有某些物品。例如:帶槽的橡皮塞、紗布等,瓶口截面大,則阻力小。

③機器本身的阻力:主要是凍干箱與冷凝器之間的管道阻力,管道粗、短、直則阻力小。另外阻力還與凍干箱的結(jié)構(gòu)和幾何形狀有關(guān)。

加快凍干產(chǎn)品的升華速率辦法如下:

①提高凍干箱內(nèi)產(chǎn)品的溫度:能增加凍干箱內(nèi)的水蒸汽壓力,加速水蒸汽流向冷凝器,加快質(zhì)的傳遞,增加干燥速率。但是提高產(chǎn)品的溫度是有一定限度的,不能使產(chǎn)品溫度超過共熔點的溫度。

②降低冷凝器的溫度:也就降低了冷凝器內(nèi)水蒸汽的壓力,也能加速水蒸汽從凍干箱流向冷凝器的速率。同樣能加快質(zhì)的傳遞,提高干燥速率。但是更多的降低冷凝器的溫度需增加投資和運行費用。

減少水蒸汽的流動阻力也能加快質(zhì)的傳遞,提高干燥速率。降低水蒸汽流動阻力辦法有:①減小產(chǎn)品的分裝厚度和增加凍結(jié)產(chǎn)品的升華面積;

②合理的設(shè)計瓶、塞、減少瓶口阻力;

③合理的設(shè)計凍干機,減少機器的管道阻力;

④選擇合適的濃度和保護劑,使干燥產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)疏松多孔,減少干燥層的阻力;

⑤試驗的預凍方法,造成有利于升華的冰晶結(jié)構(gòu)等。這些方法均能促進質(zhì)的傳遞,

提高干燥速率。

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