CN104930819B - 基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备及方法。一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备，包括制冷模块、真空模块、加热模块、再生模块、冷冻干燥箱，所述的再生模块采用闭式氯化锂溶液再生系统，没有来自外部环境的空气和其它杂质进入再生模块，再生模块蒸出的水蒸气不会直接排放到外部环境中；所述的冷冻干燥箱利用氯化锂溶液吸收水蒸气。本发明采用闭式再生系统，较开式系统安全，设备寿命长，节能，管路不与大气接触，不易腐蚀；与传统的冻干设备相比，可以提高制冷系统的蒸发温度位，这一改进降低了制冷压缩机的压缩比，达到节能的效果，也可将制冷系统由双级压缩简化为单级压缩。
Description
技术领域
本发明涉及冷冻干燥机，尤其涉及一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备及方法。
背景技术
冷冻干燥技术（简称冻干技术）是一种常用的保存生物活性物质的干燥技术，现已广泛应用于食品和制药等领域。其基本做法是将物料降温冻结，然后抽真空并提供热量让物料中的水升华，使物料干燥。冻干技术成品在外形上能基本保持原貌，复水快，能避免高温度引起的活性损失。
冷冻干燥机大多数由制冷系统、真空系统、加热系统、监控系统等部分组成。制冷系统的作用是为干燥箱提供冷量，一方面使物料中的水分凝结成冰，另一方面冷却冷阱中的氯化锂溶液。监控系统主要用来检测温度和压力是否达到要求。
目前市场上广泛使用的冷冻干燥机使用冷却盘管作为冷阱，利用物料和盘管表面的水蒸气压力差作为传质驱动力，使从物料中升华出来的水蒸气在冷却盘管表面凝结成冰。为了保证一定的干燥效果，冷却盘管表面必须达到较低的温度才能提供足够的传质压差。蒸发温度越低，效率就越低，能耗就越大。为了达到这样的温度，现在市场上采用较多的是双级压缩制冷系统，这样会使得整个系统比较复杂。
另一方面，由于传统的冷冻干燥机利用冷却盘管使物料中升华的水蒸气在其表面凝结，当盘管表面的冰累积到一定厚度时，干燥效果逐渐下降，需要定期停机除霜，因此生产过程不连续；即使采用多个冷阱通过切换的方法来保证干燥过程的连续性，也会使系统变得更加复杂， 而且会导致能耗的增加。
专利CN102095305A公开了一种冷阱可自循环再生的冷冻干燥机，但其再生系统为开式系统，其溶液易在再生过程中受到污染，设备也易受腐蚀，再生器蒸出的水蒸气无法二次利用造成了热量浪费，开式系统存在和外界的换热增大了加热系统所需的能耗。
发明内容
本发明的目的是针对传统冻干机的不足，提供了一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备及方法，利用闭式循环再生的氯化锂盐溶液代替传统的冷却盘管作为冷阱吸收水蒸气，由此实现水蒸气的进一步利用，达到节能效果；同时提升了制冷系统蒸发器处温度位，可以仅利用单级压缩制冷系统即可实现原有干燥效果。
一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备，包括制冷模块、真空模块、加热模块、再生模块、冷冻干燥箱，所述的再生模块采用闭式氯化锂溶液再生系统，没有来自外部环境的空气和其它杂质进入再生模块，再生模块蒸出的水蒸气不会直接排放到外部环境中；所述的冷冻干燥箱利用氯化锂溶液吸收水蒸气。
所述的制冷模块采用单级或多级压缩。
基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备，其特征是：所述的制冷模块包括冷凝器冷却水入口、冷凝器冷却水出口、冷凝器、压缩机、制冷剂回热器、膨胀阀、蒸发换热盘管、冷阱盘管；所述的真空模块包括真空泵；所述的冷冻干燥箱包括冷冻干燥箱、搁板、氯化锂溶液；所述的再生模块包括加热盘管、氯化锂溶液泵、氯化锂溶液回热器、再生器、节流阀、疏水器；所述的加热模块包括再生器热驱动管入口、再生器热驱动管出口；冷冻干燥箱内设有搁板，搁板下设有加热盘管；压缩机出口、冷凝器、制冷剂回热器的高压通道、膨胀阀、蒸发换热盘管、制冷剂回热器的低压通道、压缩机入口顺次连接；冷冻干燥箱的抽真空出口、波纹管和真空泵顺次连接；冷阱溶液出口、氯化锂溶液泵、氯化锂溶液回热器的稀溶液通道和再生器入口顺次连接；再生器的浓溶液出口、氯化锂溶液回热器的浓溶液通道、节流阀和冷阱溶液入口顺次连接；再生器内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口，盘管出口为再生器热驱动管出口。
一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥方法，采用闭式氯化锂溶液再生系统，没有来自外部环境的空气和其它杂质进入再生模块，再生模块蒸出的水蒸气不直接排放到外部环境中；利用氯化锂溶液吸收水蒸气进行冷冻干燥。
所述方法采用单级压缩。
本发明的有益效果在于：
氯化锂再生系统为闭式再生系统，较之开式系统，具有以下优点：①外部环境的杂质不会进入氯化锂溶液中，可以保证溶液的纯净度，以免影响干燥效果；②外部环境的杂质不会进入循环管路中，可以较大程度地避免管路结垢堵塞或被腐蚀，影响系统的使用寿命；③热交换过程没有与外部环境直接换热，提高了换热效率，较之开式系统更节能；④闭式系统具有较高的安全性；⑤再生器蒸出的水蒸气可以提供物料中水分升华所需的热量，并用于对物料加热，不会直接排放到外部，符合节能减排的目的。
采用氯化锂盐溶液代替传统的冷却盘管作为冷阱吸收水蒸气，利用低温下一定浓度的氯化锂盐溶液的蒸汽压与物料表面水的蒸汽压差实现水分转移。在提供相同的传质压差的前提下，氯化锂溶液需要达到的温度比普通冷却盘管所要求的温度会明显提高。由于冷阱所需温度的提高，相应的制冷系统蒸发温度也会提升10℃以上，由此引起蒸发压力升高，而冷凝温度保持不变，压缩比减小，采用单级压缩制冷系统就可以实现，可以取代传统冷冻干燥设备中的双级压缩，简化设备，节约能耗。即使采用双级压缩，也可以显著提高运行效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是采用单级压缩的基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备结构示意图。
图中：冷凝器冷却水入口1、冷凝器冷却水出口2、冷凝器3、压缩机4、制冷剂回热器5、膨胀阀6、蒸发换热盘管7、冷阱盘管8、真空泵9、冷冻干燥箱10、搁板11、加热盘管12、氯化锂溶液13、氯化锂溶液泵14、氯化锂溶液回热器15、再生器16、节流阀17、疏水器18、再生器热驱动管入口19、再生器热驱动管出口20。
图2是采用双级压缩的基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备结构示意图。
图中：冷凝器冷却水入口1、冷凝器冷却水出口2、冷凝器3、膨胀阀A4、中间冷却器5、膨胀阀B6、蒸发换热盘管7、冷阱盘管8、低压压缩机9、高压压缩机10、真空泵11、冷冻干燥箱12、搁板13、加热盘管14、氯化锂溶液15、氯化锂溶液泵16、氯化锂溶液回热器17、再生器18、节流阀19、疏水器20、再生器热驱动管入口21、再生器热驱动管出口22。
具体实施方式
实施例1
如附图1所示，一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备，制冷系统为单级压缩，包括制冷剂回热器冷却水入口1、制冷剂回热器冷却水出口2、冷凝器3、压缩机4、制冷剂回热器5、膨胀阀6、蒸发换热盘管7、冷阱盘管8、真空泵9、冷冻干燥箱10、搁板11、加热盘管12、氯化锂溶液13、氯化锂溶液泵14、氯化锂溶液回热器15、再生器16、节流阀17、疏水器18、再生器热驱动管入口19、再生器热驱动管出口20；冷冻干燥箱10内设有搁板11，搁板11下设有加热盘管12；压缩机4出口、冷凝器3、制冷剂回热器5高压通道、膨胀阀6、蒸发换热盘管7、制冷剂回热器5低压通道、压缩机4入口顺次连接；冷冻干燥箱10抽真空出口、波纹管和真空泵9顺次连接；冷阱溶液出口、氯化锂溶液泵14、氯化锂溶液回热器15稀溶液通道和再生器16入口顺次连接；再生器16浓溶液出口、氯化锂溶液回热器15浓溶液通道、节流阀17和冷阱溶液入口顺次连接；再生器16内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口19，盘管出口为再生器热驱动管出口20。
所述的制冷系统工作流程如下：开启压缩机，气态制冷剂从压缩机4入口流入，在压缩机内部将压力从蒸发压力提升到冷凝压力，进入冷凝器3，高温高压的气态制冷剂在冷凝器内与外部冷却水进行热交换，冷凝为液体，再通过制冷剂回热器5实现过冷，然后通过膨胀阀6进入搁板下的蒸发换热盘管7以及冷阱盘管8，一方面将搁板上的物料预冷到其共晶点温度以下，另一方面为冷阱中的氯化锂溶液提供冷量，使其在低温下保持一定的蒸汽压。蒸发换热后，制冷剂回到回热器5与从冷凝器出来的高温制冷剂进行热交换，实现过热，最后再回到压缩机4，完成制冷剂的循环。
所述真空干燥箱工作流程如下：待上述预冻过程结束后，开启真空泵9，干燥箱内真空抽至30Pa以下，同时从再生器出来的热媒加热搁板11，使搁板温度升至冻干物品的共晶点温度（不超过共晶点温度），待一次干燥结束后，继续加热搁板，去除冻干物质中的结合水。干燥过程中，由氯化锂浓溶液吸收干燥箱内物料升华出的水蒸气，再通过闭式系统循环再生。
所述闭式氯化锂溶液再生系统工作流程如下：吸收水蒸气后的氯化锂稀溶液由氯化锂溶液泵14运送到氯化锂溶液回热器15，与高温浓溶液换热，进入再生器16，在再生器热驱动管输入的热源作用下，氯化锂稀溶液中的水分被蒸出，用以加热物料并提供物料中水分升华所需的潜热，最终排入疏水器18中，氯化锂溶液溶质浓度得以提高，实现氯化锂溶液的再生，再生器出口的高温浓溶液经过回热器15换热，再通过节流阀17进入冷阱，完成氯化锂溶液的再生及循环。
实施例2
如附图2所示，一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备，制冷系统为双级压缩，包括冷凝器冷却水入口1、冷凝器冷却水出口2、冷凝器3、膨胀阀A4、中间冷却器5、膨胀阀B6、蒸发换热盘管7、冷阱盘管8、低压压缩机9、高压压缩机10、真空泵11、冷冻干燥箱12、搁板13、加热盘管14、氯化锂溶液15、氯化锂溶液泵16、氯化锂溶液回热器17、再生器18、节流阀19、疏水器20、再生器热驱动管入口21、再生器热驱动管出口22；冷冻干燥箱12内设有搁板13，搁板13下设有加热盘管14； 从冷凝器3出来的高压液体分为两部分，一部分经中间冷却器5过冷后通过膨胀阀B6，直接节流到蒸发压力，经蒸发换热盘管7后回到低压压缩机9，另一部分经膨胀阀A4进入中间冷却器5，与低压压缩机9排出的气体进行热质交换，再去高压压缩机10，最后排到冷凝器3；冷阱溶液出口、氯化锂溶液泵16、氯化锂溶液回热器17的稀溶液通道和再生器18入口顺次连接；再生器18浓溶液出口、氯化锂溶液回热器17的浓溶液通道、节流阀19和冷阱溶液入口顺次连接；再生器18内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口21，盘管出口为再生器热驱动管出口22。
本发明采用的氯化锂溶液浓度大致估算如下：制冷系统的蒸发温度为-30℃时可以满足大部分食品冷冻干燥的要求，在实际生产中，最常用的冷冻干燥设备冷阱处的冷却盘管温度为-50℃。在保证相同传质压差的条件下，浓度为38%氯化锂盐溶液就可以达到同样的干燥效果，而蒸发温度却有了明显的提高。
以最常用的制冷剂R22为例，压缩机的选择及其优势分析如下：传统的冷冻干燥设备，制冷系统的冷凝温度为40℃，蒸发温度为-50℃，相应的压缩比为23.78，一般使用双级压缩才可以实现；本发明以氯化锂盐溶液取代了传统的冷却盘管来吸收水分之后，蒸发温度提高到-30℃，压缩比为9.35，通过单级压缩就可以实现。经优化分析计算可以得到，较之传统双级压缩的冻干机，在制冷系统上就可节能16.49%。在实际生产中，由于双级机械压缩系统远比单级压缩复杂，受到多方面因素影响，因此本发明的新型冻干机实际中应当可以节能更多。
Claims (2)
1.一种基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备，其特征是：包括制冷模块、真空模块、冷冻干燥箱模块、再生模块、加热模块，所述的再生模块采用闭式氯化锂溶液再生系统，没有来自外部环境的空气和其它杂质进入再生模块，再生模块蒸出的水蒸气可以进行二次利用，不会直接排放到外部环境中；所述的冷冻干燥箱模块利用氯化锂溶液吸收水蒸气；
所述的制冷模块包括冷凝器冷却水入口（1）、冷凝器冷却水出口（2）、冷凝器（3）、压缩机（4）、制冷剂回热器（5）、膨胀阀（6）、蒸发换热盘管（7）、冷阱盘管（8）；所述的真空模块包括真空泵（9）；所述的冷冻干燥箱模块包括冷冻干燥箱（10）、搁板（11）、氯化锂溶液（13）；所述的再生模块包括加热盘管（12）、氯化锂溶液泵（14）、氯化锂溶液回热器（15）、再生器（16）、节流阀（17）、疏水器（18）；所述的加热模块包括再生器热驱动管入口（19）、再生器热驱动管出口（20）；冷冻干燥箱（10）内设有搁板（11），搁板（11）下设有加热盘管（12），疏水器（18）与加热盘管（12）相连；压缩机（4）出口、冷凝器（3）、制冷剂回热器（5）的高压通道、膨胀阀（6）、蒸发换热盘管（7）、制冷剂回热器（5）的低压通道、压缩机（4）入口顺次连接，冷阱盘管（8）和蒸发换热盘管（7）并联；冷冻干燥箱（10）的抽真空出口、波纹管和真空泵（9）顺次连接；冷阱溶液出口、氯化锂溶液泵（14）、氯化锂溶液回热器（15）的稀溶液通道和再生器（16）入口顺次连接；再生器（16）的浓溶液出口、氯化锂溶液回热器（15）的浓溶液通道、节流阀（17）和冷阱溶液入口顺次连接；再生器（16）内设有盘管，盘管入口为再生器热驱动管入口（19），盘管出口为再生器热驱动管出口（20）。
2.根据权利要求1所述的基于闭式吸湿溶液再生的真空冷冻干燥设备，其特征是：所述的制冷模块采用单级或多级压缩。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170728 |