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从饱和蒸气压看冻干的原理

时间:2020-05-09 点击次数:195

    冻干也叫真空冷冻干燥,是在一定的压力下,物质中的水从固体升华成气体,而逐步干燥的一个过程。冻干发生的条件物体中的水变成固体状态,固体状态的水的升华需要热量,需要能提供热量,升华出来水蒸气需要传质到其他物体上面。其中液体状态的水变成固体状态的冰晶状态,也就是物质从液体变成被冻结的固体态是首要条件。第二部升华,升华能够发生需要传热和传质的同时发生。物质的升华热和液体的汽化热一样,也是随温度升高而减小。升华界面温度越高,升华越快。而升华是一个吸热的过程,如果不给物料升温,物料就会由于升华,而使得本身温度下降,从而升华的速率就降低,同时随着本身温度的降低,当达到与冷阱温度一致,升华就停止,因此升华过程要给物料提供热量。这个热量来自传导,对流和辐射,所以要给板层升温(提供传导热和辐射热),或者掺气,还有来不同界面不同处的温度不同的传导。而热量的传递是非常容易的。

    在外界供热的情况下,升华所生成的蒸汽如不及时排除蒸汽分压就会升高,物料温度也随之升高,当达到物料的冻结点时,物料中的冰晶就会融化,冷冻干燥就无法进行,供给热量的过程是一个传热的过程,排除蒸汽的过程是一个传质的过程。这里牵扯到的一个概念就是饱和蒸汽分压,在密闭条件中,在一定温度下,与固体或液体处于相平衡的蒸汽所具有的压力称为饱和蒸汽压力。饱和蒸汽压力又称蒸汽压力。同一物质在不同温度下有不同的蒸汽压力,并随着温度的升高而增大。不同液体饱和蒸汽压力不同,溶剂的饱和蒸汽压力大于溶液的饱和蒸汽压力;对于同一物质,固态的饱和蒸汽压力小于液态的饱和蒸汽压力。传质的动力就是容器内的饱和水蒸气分压的不同,梯度差决定的。也就是在容器内的真空其实是一致的,而蒸汽之所以能够流动是因为不同处的饱和蒸汽分压的不同,他是有温度差,也就是压力差的,这个压差就是一个传质的动力,一个推动力。干燥的速率与冻干箱和冷凝器之间的水蒸汽压力差成正比,与水蒸汽流动的阻力成反比。水蒸汽压力差越大,流动的阻力越小,则干燥的速率越快。水蒸汽的压力差取决于冷凝器的有效温度和产品温度的温度差。因此要尽可能地降低冷凝器的有效温度和最大限度地提高产品的温度。因此从这里可以看出冷阱的冷量或者说极限温度及补冰表面的补冰量与冻干制品的升华温度之间的温度差决定了冻干的升华效率,因此冻干成败的关键或者效率与设备的选择有很大关系。 

       如果产品的关键温度很低,那么升华的温度就比较低,因此选择冻干机的时候要选择冷阱温度低的,冷阱是否能提供足够的蒸气压差来驱使水蒸气分子运动,否则水蒸汽分子逐渐累积直到制品失效。如果选择冷阱温度梯度很小,并且设备设计气流导向和阻力方面因素考虑不足,那么会造成研发的效率成本非常高。

     研发用的冻干机的选择,首先考虑的应该是研发效率,也就是快读的辅料筛选,排除干扰因素,做出来产品和找到合适的冻干曲线,千万不要因为设备的投入的时候节省,而在研发的过程中投入更多的研发时间和人力,研发选择好的冻干设备来提高效率才是关键。

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