CN101738062B

CN101738062B - 一种真空冻干装置

Info

Publication number: CN101738062B
Application number: CN200810181280A
Authority: CN
Inventors: 张光华; 赵国臣; 梁宗礼; 陈光明; 张大力
Original assignee: Lanzhou Kejin Vacuum Freeze Drying Technology Co Ltd
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: CN101738062A

Abstract

本发明公开一种通用真空冷冻干燥装置，特别是装置由升华干燥仓，冷阱，真空机组，加热系统，控制系统及制冷机组，以及连通升华干燥仓与冷阱间的仓阱连通管和连通冷阱与真空机组的真空管道构成的真空冻干装置。本发明的冷阱独立设置于升华干燥仓之外，其干燥仓的干燥面积与冷阱的捕获面积比为1∶1～1.5，且仓阱连接管为两根，即每个冷阱用两个位于抽气口两侧的仓阱连通管连通升华干燥仓。

Description

一种真空冻干装置

技术领域

本发明涉及一种通用真空冷冻干燥装置，特别是装置由升华干燥仓，冷阱，真空机组，加热系统，控制系统及制冷机组，以及连通升华干燥仓与冷阱间的仓阱连通管和连通冷阱与真空机组的真空管道构成的真空冻干装置。

背景技术

真空冷冻干燥技术是指将含水物料经快速冻结后，置于真空干燥仓内，在真空条件下，提供升华热进行升华干燥，使被处理物脱水的干燥技术。该技术的应用主要靠真空冷冻干燥设备完成。现有的真空冷冻干燥装置是由升华干燥仓，冷阱，真空机组，加热系统，控制系统及制冷机组，以及连通升华干燥仓与冷阱间的仓阱连通管和连通冷阱与真空机组的真空管道构成。

目前，国际上最流行的两种真空冷冻干装置，一种是以日本为代表的，全升华周期结束后一次性化霜的冻干机。这种冻干机工作时能耗相对较低；另一种是以丹麦为代表的双冷阱交替化霜的冻干装置，这种装置的优点是化霜不占用生产周期，缺点是能耗较高。

中国实用新型专利ZL022740821公开了一种用于真空冷冻干燥设备的节能装置，是由称重传感器、重量变送器、工业控制机、可编程序控制器PLC、热媒循环泵变频器、冷媒循环泵变频器、双冷阱交替电磁阀、融冰蒸汽电磁阀等通过吊装轨道及在其上滑行的盛料滑车相互关联组合构成的节能控制系统。这是运用节能控制软件来实时调节能量供给，从而达到节省能源，降低运行成本的目的。显然这种装置属于丹麦的双冷阱交替化霜类的装置。

根据系统研究发现，现有真空冷冻干燥装置其效率较低。根据相关的计算表明，现有真空冷冻干燥装置中的干燥仓干燥面积与冷阱捕获面积比不尽合理，实际现使用的真空冷冻干燥装置中的干燥仓干燥面积与冷阱捕获面积比均较小，这可能是造成现有技术效率低的原因；其次还发现整个装置工作中能耗相对较大，前述的现有技术的不足在升华干燥面积较大的装置，如干燥面积大于100m²，特别是干燥面积在200m²的装置中似更为突出。研究还表明，现有的真空冷冻干燥装置中的冷阱基本上采用列管式换热器；另外由于冷阱工作在湿冷环境下，而现有技术的冷阱其管板及设置于其上的列管均是固定于冷阱壳体之内，这种结构在制造中很难进行防锈处理，尤其是整个管组在壳体内焊接处根本无法进行除锈和防锈处理，因而在使用中极易产生锈蚀现象，而且发生损坏后也不可能进行修理。现有技术中为解决这一问题，多采用不锈钢材料的列管及管板，但因不锈钢材料的成本大于碳钢，且导热系数小于碳钢，因此使用不锈钢材料的冷阱不仅造价高，而且在使用中能耗也较高。

发明内容

本发明提供一种可以克服现有技术不足的，较现有技术能耗更低的真空冷冻干燥装置。

本发明的冷阱独立设置于升华干燥仓之外，其干燥仓的干燥面积与冷阱的捕获面积比为1∶1～1.5，且仓阱连接管为两根，即每个冷阱用两个位于抽气口两侧的仓阱连通管连通升华干燥仓。

根据相关的试验与实践考核，本发明干燥仓的干燥面积与冷阱捕获面积比最佳为1∶1.3～1.5。

在本发明中每个冷阱用两个位于抽气口两侧的仓阱连通管连通升华干燥仓。

另一方面，本发明的每个升华干燥仓分别与两个冷阱相连通，每个干燥仓的干燥面积与每个冷阱捕获面积比为1∶(1.3～1.5)×1/2。

本发明采用两个冷阱的结构中，在两个冷阱间用一根平衡管将这两个冷阱连通，这样可以在冷阱工作时只使用一个功率较小的真空机组即可维持装置的正常工作工况，使两个冷阱同时处在捕集水气的工况，提高装置的脱水效率。

本发明的冷阱中，冷阱由冷阱管组和冷阱壳体两个部分组成。所述的冷阱壳体内固定有导轨，冷阱列管及附属化霜装置固定于管板上，管板上还固定有支承导轮，冷阱管组沿壳体内的导轨推进壳体内，支承导轮设置于与固定在冷阱壳内的导轨上。

本发明的冷阱中，其列管排列方式为相邻的两排列管中每三个列管以正三角形旋转90度位置布置。

在本发明的冷阱上设置有两个进气口，抽气口位于两个进气口之间，冷阱内在每个进气口与抽气口之间各设置有一块折流板。

现有技术中冷阱布置较为典型的是丹麦阿特拉斯冻干机和日本东洋技研冻干机，前者的冷阱为内置于升华干燥仓之下的双冷阱，而后者的冷阱为内置于升华干燥仓后部的单冷阱，这类冷阱布置方式形成事实上的热源与冷阱相近布置，这是造成能耗较大的原因之一。而本发明中将冷阱独立设置于升华干燥仓之外，这样就避免了带有热源的干燥仓对需要冷源的冷阱的相互影响。另一方面本发明的升华干燥仓的干燥面积与冷阱的捕获面积比确定为1∶1～1.5，根据实际的运行表明当升华干燥仓的干燥面积与冷阱的捕获面积比在这一范围内时，装置的效率较现有技术要高，特别是这一比值为1∶1.3～1.5时其综合效益比为最佳。

由于本发明中每个冷阱是用两个仓阱连通管连通升华干燥仓，这样就可以大大提高水气的流导，克服了一般外置冷阱由于采用一个仓阱连通管，流导较小，造成冷阱捕霜不均，效率下降的问题；同时由于进入冷阱的气体是通过两个仓阱连通管进入冷阱，可以充分利用冷阱的长度，使流入的气体与冷阱的捕集管充分接触，进一步提高其捕集水份的效率。

本发明的每个升华干燥仓分别与两个冷阱相连通，并使每个干燥仓的干燥面积与冷阱捕获面积比为1∶(1.3～1.5)，这一结构解决了冻干面积200m²以上大型冻干机与冷阱捕水面积匹配的问题。而现有技术中的内置冷阱的冻干机由于空间限制目前无法做到合理的面积比，只能采用交替化霜的方式，解决捕水面积不足的问题，交替化霜是造成冻干机能耗增大的主要原因。本发明采用外置冷阱，特别是外置双冷阱结构既可以增大冷阱的捕水面积提高整个装置的脱水效率，同时可以使每个冷阱结构相对简单，制造更为容易。

本发明的冷阱是将列管与其附属装置设置于管板上，而管板及其上的结构与冷阱内壳相对独立，采用本发明的这种冷阱结构可以使列管、附属设施及管板在制造时很方便地进行整体热浸锌防腐蚀处理，同时还可以降低安装运输困难。由于本发明的冷阱结构可以解决管组等部件的防腐蚀处理，因此可以采用碳钢材料制造，既可降低成本，还可以提高冷阱的换热效率，减少使用中的能耗。本发明的冷阱在组装时是通过管板上设置的支承导轮与冷阱壳体内固定的导轨相配合，组装极为方便，而且在使用中如发生损坏，还可以将管板拖出，进行修理，这更是现有技术所无法实现的。

本发明所使用的冷阱中其实质是列管式换热器的列管中两排列管中相邻的每三个列管以正三角形旋转90度位置布置，列管的这种布置方式可以克服现有技术冷阱在使用中水汽通过列管时因流阻大，结霜不匀的现象，这是因为：现有冷阱的中列管的布置是按相邻的两排列管中每三个列管以正三角布置，这是列管式换热器经典的布置方式，现有的设计规范及实际应用的列管式换热器(包括冷阱)结构均为这种列管布置方式，这种布置方式中上层列管与位于下层的列管间的垂直投影空隙(也就是水汽通道)Δ为：

Δ＝(C×Sinπ/6)—D

上式中：C为由上下相邻的三个列管构成的正三角形的边长，D为列管直径(以下相同)。但这种经典冷阱在用于冻干脱水工作时，由于Δ较小，水汽极易在靠近仓阱连接管口处的列管(也就是处于最上层的列管)表面先行大量冻结，使本已经较狭小的水汽通道更为狭小，造成水汽流动不畅，冷阱列管表面结霜不匀。而本发明按正三角形旋转90度位置布置列管时，其水汽通道Δ发为：

Δ_发＝(C×Sinπ/3)—D

由于Δ_发较大，可以使进入冷阱的水汽顺利通过，并在阱内各层列管中均匀冻结，充分利用各列管捕集水汽，避免了现有技术所产生的不足。

本发明装置中的冷阱在两个进气口与抽气口之间各设置有一块折流板，水汽通过进气口进入冷阱后，水汽与列管接触的空间足够大可充分利用其列管捕集水汽，使其有最大的捕水效率。

附图说明

图1为本发明采用双仓阱连通管连接升华干燥仓实施例示意图。图2为本发明升华干燥仓与双仓阱连通管连接双冷阱的实施例示意图。图3为图2的右视图。图4为本发明的冷阱剖面示意图。图5为图4横断面的剖面示意图，其中图的左边为列管端部结构示意，图的右边表现了列管的排布结构。图6为图5中B位置的局部放大示意图。

具体实施方式

本发明以下附图解说：

图1为本发明的一种基本结构示意图，其中：1为升华干燥仓，2为仓阱连通管，由图1中可见仓阱连通管为两个，3为连接冷阱与真空机组4间的管道，5为冷阱，由图可见本发明的升华干燥仓1与冷阱5相互独立布置。图1的装置中升华干燥仓1的干燥面积与冷阱5捕获面积比为1∶1～1.5，在实际使用中可选择的最佳值为1∶1.3～1.5。由于冷阱相对较大，为充分利用冷阱的效能，加大升华水汽的流导，在本发明中采用了双仓阱连接通管与干燥仓连接，每个仓阱连通管的口径与干燥仓内每秒升华出的水汽量有关，可根据真空设计手册给出的计算公式或经验公式确定。根据实际运行试验表明，本发明的装置其干燥效率优于现有技术，且能耗较现有技术更低。

干燥面积与冷阱捕获面积比为1∶1～1.5这一技术特征应用于大型冻干装置(冻干面积≥200m²)中会因相应的冷阱过大造成制造及运输的困难，为解决这一问题，本发明采用了如图2所示的双冷阱结构，即每个升华干燥仓分别与两个冷阱相连通，每个干燥仓的干燥面积与每个冷阱捕获面积比为1∶(1.1～1.5)的二分之一，最佳实施例时，每个干燥仓的干燥面积与每个冷阱捕获面积比为1∶(1.3～1.5)的二分之一。根据实际的测算表明，采用这一结构不仅解决了前述的制造和运输问题，而且其制造成本也在最为合理的范围之内，使这一装置有最佳的经济效益比。在图2中：1为升华干燥仓，2为仓阱连通管，由图1中可见升华干燥仓与每个冷阱间的仓阱连接通管为两个，3为连接冷阱与真空机组4间的管道，5为冷阱，6为用于连接两个冷阱内部的平衡管。

根据一般的常识的推理，采用上述结构时两个冷阱将分别各使用一台真空机组以维持工作中干燥仓内的工作真空度，但通过本发明的实际应用，发明人发现在干燥仓达到工作真空度时，仅需开启一个真空机组就可维持仓内的工作真空度，如在两个冷阱中加装一个用于连通两冷阱内部的平衡管6，即可充分利用两台冷阱的效能，使两台冷阱捕霜一样均匀，两台冷阱强大的冷吸附效应，可使所配的每一个维持真空机组的功率最低，而另一个维持真空机组可作为备用机组交替使用。实际应用证明同规格的冻干装置本发明所配的维持真空机组功率目前在国际上最小。这样就进一步降低了装置工作的能耗。虽然在图2中表示有两个维持真空机组，但在实际使用中仅需要开启其中的一个就可以正常工作，这就进一步降低了能耗。

本发明所使用的冷阱结构参见图4至图6，其中7为冷阱壳体的后封头，8和26为与制冷机组联通金属软管，9为集液管，10为冷阱壳筒体，11和19分别为前后管板，12为进气口(即与仓阱连通管联接的接口)，13为列管，14为折流板，15为抽气口，16为用于化霜的喷淋管，17冷媒回液管，18为冷媒进液管，20为固定于管板11或19上的支承导轮，21为固定于冷阱壳体内的导轨，22为设于冷阱内部用于支撑导轨的支撑板，23为固定于冷阱内部的导轨加强筋，24为固定于冷阱内部的导轨支撑梁，25为分液管，27为向管16输化霜喷淋水的水管，28为放水管。在该图中省略了真空冷冻干燥装置中的真空机组与致冷机组等设备。由图4至6可见，冷阱的列管13及附属的管路、喷淋管等均设置于两个管板11和19上，而设置于管板11与管板19间的机构和冷阱壳筒体10为相互独立的结构。这一结构可以便于在制造时对管板及其上的列管及附属装置进行热浸锌防锈处理。另外，在管板11和19上分别设置有支承导轮20，在冷阱壳筒体内固定有导轨21，导轨21设置于支撑梁24上，并在支撑梁24下设置有导轨支撑板22和导轨加强筋以提高导轨的刚度。由于列管是设置在与壳体相分离的带有导轮的管板上，这样在组装时可很方便地沿导轨将管板及其上所设置的列管等推入壳体内，使支承导轮20和导轨21相互接触配合，在使用中如有必要可以将管组拉出进行维护修理，这一点是现有技术根本无法做到的。另外位于进气口12与抽气口15间设置有折流板14，这样可以使进入冷阱的水汽与列管有足够的空间充分接触结霜，之后没有被捕集的少量水汽经过两个折流板之间的通道进一步结霜，最后不可凝气体通过抽气口被真空机组抽走排出。

从图5右边所示列管布置结构还可见，本发明的列管中两排列管中相邻的每三个列管以正三角形旋转90度位置布置，而非现有列管式换热器技术模式的正三角形布置，这样在管径相同、列管间距相同时，用于通过水汽的通道为Δ_发＝(C×Sinπ/3)—D(其中C为正三角形边长，也就是上下两列管间的间距，D为列管直径)，这一间距显然要大于现有技术模式的间距，因为通常列管式换热器热交换的两种介质仅是热量的传递，列管间的流阻始终是一样的，整个换热器的热交换基本是均匀的，而冷阱热交换的介质是水汽和冷媒，不仅存在传热还存在传质，因此采用本发明的列管排布可以使水汽通过列管的流导增大，克服原有技术列管采用正三角形排布因流阻大水汽先在仓阱接口附近列管上冻结，而阻塞水汽通道，造成结霜不均，换热效率下降的不足。

以下提供一个本发明的实例与进口仿丹麦机组的比较数据：

	本发明	仿丹麦机组
			制冷主机功率	103.5kw	200kw
冷阱工作面积	150m²	25.7m²
			最大捕水能力	大于2.28kg/m²·h	1.6kg/m²·h
正常工作时的最小蒸汽压力	1kg/cm²	蒸汽压力不能小于6kg/cm²
			冷阱故障率	无运动件，故障率小。	易变形，故障率大。
维持真空装机功率	11.5kw	至少18.5kw。

在以上比较实例中本发明选用的电机实际上可采用功率更低的电机，但由于电机配套问题采用了103.5KW电机，即使这一电机的功率也远小于仿制机组。从以上比较可见本发明工作中的能耗明显低于仿丹麦机组。

Claims

1.一种真空冻干装置，包括：升华干燥仓，冷阱，真空机组，加热系统，控制系统及制冷机组，连通冷阱与真空机组的真空管道，以及连通升华干燥仓与冷阱间的仓阱连通管，其特征在于冷阱独立设置于升华干燥仓之外，所述升华干燥仓的干燥面积与冷阱捕获面积比为1∶1～1∶1.5，仓阱连通管为两根。

2.根据权利要求1所述的真空冻干装置，其特征在于所述升华干燥仓的干燥面积与冷阱捕获面积比为1∶1.3～1∶1.5。

3.根据权利要求2所述的真空冻干装置，其特征是冷阱用两个位于抽气口两侧的仓阱连通管连通升华干燥仓。

4.一种大型真空冻干装置，包括：升华干燥仓，冷阱，真空机组，加热系统，控制系统及制冷机组，连通冷阱与真空机组的真空管道，以及连通升华干燥仓与冷阱间的仓阱连通管，其特征在于装置中采用双冷阱结构，升华干燥仓分别与两个冷阱相连通，升华干燥仓的干燥面积与每个所述冷阱捕获面积比为1∶(1.3～1.5)的二分之一。

5.根据权利要求4所述的真空冻干装置，其特征是在两个冷阱间用一根平衡管将两个冷阱连通。

6.根据权利要求1至5所述的任一真空冻干装置，其特征是每个所述冷阱列管及附属化霜装置固定于独立的两个管板上，两个管板上还分别固定有支承导轮，在每个所述冷阱壳体内固定有导轨，所述的支承导轮设置于固定在每个所述冷阱壳内的导轨上，所述每个冷阱的列管及附属的管路、喷淋管均分别设置于两个管板上，而设置于两管板间的列管、喷淋管和每个所述冷阱壳体为相互独立的结构。

7.根据权利要求6所述的真空冻干装置，其特征是每个所述冷阱列管中相邻的每三个列管以正三角形旋转90度位置布置，使上层列管与位于下层的列管间的垂直投影空隙形成的水汽通道Δ_发＝(C×Sinπ/3)-D，式中D为列管直径，C为由上下相邻的三个列管构成的正三角形的边长。

8.根据权利要求7所述的真空冻干装置，其特征是每个所述冷阱上设置两个进气口，抽气口位于两个进气口之间，每个所述冷阱内在每个进气口与抽气口之间各设置有一块折流板。