CN1138120C - 冷冻干燥方法和设备 - Google Patents

Abstract

控制致冷系统中冷冻干燥室搁架和冷冻干燥室温度的方法和设备，致冷系统有在操作中与其相关的冷凝器，为了控制冷冻室搁架的温度，使用了冷冻剂通过冷凝器的循环，和使用了低温冷却传热流体通过冷冻室搁架的循环，同时低温冷却传热流体的温度是由与冷冻剂的热交换进行调节的。

Description

冷冻干燥方法和设备

                    发明领域

本发明涉及冷冻干燥，特别涉及使用低冷冻剂消耗来改进冷冻干燥的精度和效率的方法和设备。

                    背景技术

从不使用危害环境的致冷剂而代之以使用低温传热流体例如液化空气的观点来看，低温热交换器是有吸引力的设计方案。

这个领域早先的工作并未考虑冷冻剂有效使用的问题。在许多情况下，冷冻剂和/或其它的冷却流体的温度和能量要求以及热交换设备和贮热设备都是不匹配的，因此造成了冷冻干燥方法和设备的低效。

一直设法保证通向冷冻干燥室的冰-水冷凝器中能实现等热分布。在Ron Lee的美国专利5,456,084中，尝试提供一种低温热交换系统，其中在低温热交换系统中所采用的冷凝器热交换器表面上冰-水的积聚，与使用低温热交换流体的现有技术相比较更为均匀。在这种意义上，已试图对发生使用低温热交换系统的传热器内的温度提供更好的控制。

在1996年9月6日提交的系列号为08/709,027，题名为“控制冷冻干燥过程的方法和设备”的美国专利申请中，提供了一种方法和工艺，该方法使用了利用低温致冷剂冷却的单级热交换器，直接或通过加热器回路将冷的传热流体输送到冷凝器和独立地输送到冷冻干燥器或其它的致冷系统，来冷却或加热冷冻干燥器，该美国专利申请这里并入本文作为参考文献。

尽管有上述的情况，但是在本工艺领域仍需要一种方法和设备来使冷冻干燥室的搁架和水冷凝器使用可供给的冷冻剂(主要是液氮)来进行致冷，和让冷冻剂源的尾气/废气在尽可能最热的温度下从系统中排出，而同时使泵的输送能量最少，从而完成每次冷冻干燥循环而致冷费用最少。

                        发明内容

因此本发明一个目的是提供一种改进冷凝器冷却要求与低温冷却传热流体低要求之间的匹配的方法。

本发明的另一个目的是提供贮存传热流体的过剩致冷的方法和设备。

本发明的又一个目的是提供一种向真空冷凝器直接供应冷冻剂以实现低温的方法和设备。

本发明的另一个目的是提供一种将冷凝器的冷气再循环的方法和设备，以增加操作效率。

本发明的另一个目的是提供使致冷剂冷凝的方法和设备，该方法不需要机械压缩和膨胀。

正如下文将要讨论的那样，本发明将提供一种改进冷凝器冷却要求与本工艺领域已经发现的低温冷却传热流体变化要求之间相匹配的方法和设备。在程控冷冻干燥处理期间这种冷却要求的匹配将提供冷冻剂更有效的利用。冷冻干燥循环方法通常包括：1)温度下降；2)保温；3)真空抽吸；和4)温度回升。该方法包含以至少改变2∶1的热负荷，和可以最经济的进行操作，其手段是选择将最适合该热负荷的泵和热交换器的组合。冷冻室和搁架必须在高于冷凝器的温度下操作。因此，即使在冷却循环期间，往往都使用加热器来形成第二传热流体再循环回路。这样的方法产生很高的能量耗损。本发明在冷却循环期间避免使用加热器，因此改进了效率。这种选择方法防止形体较大的设备在不需要时进行操作，因此防止了大量的静态和动态热的泄漏，可以更精确更有效地使较小的泵/热交换器来处理较小的热负荷。

本发明是指向控制致冷系统中冷冻干燥室搁架和冷冻干燥室的温度的方法，该致冷系统具有在操作中与其相关的冷凝器。这是由使冷冻剂通过冷凝器循环和使低温冷却传热流体通过冷冻室搁架循环来控制其中温度实现的。低温冷却传热流体的温度是通过与冷冻剂的热交换来调节的。低温冷却传热流体的温度是利用通过许多热交换器与冷冻剂的热交换来调节的。并进一步利用加热装置进行调节。低温冷却传热流体的循环是使用许多泵和阀门来实现的。在开始降温循环时，传热流体的温度首先是将传热流体通过预冷却介质来调节的。在降温循环中间，温度是将冷却的传热流体通过用冷冻剂冷却的第二热交换器来调节的。可以使用致冷回收单元来维持温度和使低温冷却的传热流体循环。也可以使液体致冷剂流过冷凝器。

本发明也指向提供冷冻干燥方法，是提供具有与冷冻干燥室操作上相关的冷凝器的冷冻干燥室，使冷冻剂通过冷凝器循环，和使低温冷却传热流体通过冷冻室搁架的循环以控制其中的温度。低温冷却传热流体的温度利用与冷冻剂的热交换进行调节。

本发明也指向冷冻干燥设备，该设备包括：使物质经受冷冻干燥过程的冷冻干燥室，其中含在物质中的水分或溶剂被冰冻和蒸升为蒸气，室内许多搁架；和在操作上与冷冻室有关的冷凝器，使蒸汽冷冻和使蒸汽以固态形式积聚集。冷凝器至少有一个供接受冷冻蒸汽的冷冻剂的通路。使用许多的热交换器在冷冻剂和低温冷却传热流体之间进行热交换。低温冷却传热流体具有循环回路，其中低温冷却传热流体的温度利用许多热交换器进行调节，在回路中低温冷却传热流体通过冷冻干燥室使物质冷冻，这样物质的至少一部分液体从冷冻干燥室中被分离出来。冷冻剂具有循环回路，在回路中冷冻剂的冷量是通过热交换器传递给低温冷却传热流体，和冷冻剂通过冷凝器。许多阀装置调节冷冻剂流量，和至少有一个循环装置使低温冷却传热流体通过冷冻剂回路进行循环。在降温循环开始期间，传热流体的温度借助预冷介质将冷量传递给传热流体进行调节。在升温循环期间，传热流体的温度是将传热流体通过加热装置进行调节。可以使用致冷余热回收装置来维持温度，并使低温冷却传热流体再循环。可以使用液体致冷剂循环回路来给冷凝器供料。

对于本发明来说，本文所用的和权利要求中的术语冷冻剂其含义指的是在低于环境大气条件下正常出现的温度下，以液体或固体的形式存在的物质。冷冻剂的实例是液化空气，例如氮气、氧气、氩气、氦气、以及二氧化碳等等。

术语低沸点(LBP)致冷剂指的是沸点低于环境大气条件下正常出现的温度以气体或蒸汽存在的物质。可是，在与冷冻剂热交换时LBP致冷剂可以很容易地冷凝为液体。对于本发明来说，应选择LBP致冷剂，以使其沸点与冷凝器的操作温度相同。本发明所使用的LBP致冷剂的实例包括氯仿(沸点-63.5℃)，己烷(沸点-88.6℃)，二氯氟化物(沸点-78.4℃)，一氯三氟甲烷(沸点-114.6℃)和其它流体，这些流体借助于与冷冻剂的热交换很容易冷凝，而无需压缩，但是当失去它们的致冷价值时可以气化而为气体或蒸气。本发明所使用的液体致冷剂的实例是一氯三氟甲烷。

术语低温冷却传热流体指的是一种物质，这种物质能够将热量传给不同温度的另外流体源和/或接受来自不同温度的另外流体源的热量。这种流体市场上可买到，商品名为D’limonene(佛罗里达化学公司可购)，Lexsol(Sunta Barbara化学公司可购)，或者以硅油名义在市场上购得，上述流体的任何衍生物或其它适用流体，本领域技术人员是熟知的。

                        附图说明

由下列优选的实施方案和附图的说明，本领域技术人员将会意识到本发明的其它目的、特征和优点，在附图中：

图1是说明实施本发明特征的方法和设备的流程图；和

图2是说明具有附加致冷单元的和任选的包含一种液体致冷剂通过冷凝器的液流的图1方法和设备可替代的实施方案的流程图。

                    具体实施方式

本发明可通过如图所述的方法和设备来实现。

本发明独特的特征是使用了多个热交换器来满足冷冻干燥器典型的加热和冷却循环要求。传热流体经过多个热交换器以实现在控制冷冻干燥室搁架和冷冻干燥室温度时对能量的最有效的利用。

如图所示，本发明另一个方面是冷冻剂独特的应用。在一种意义上来讲，冷冻剂直接使用于冷凝器(冷阱)中。在另一种意义上来说，冷冻剂用作热交换器的一次冷却剂，以调节传热流体的温度。

本发明的又一个方面是通过本发明的各种组件的依次操作来改善效率。由使各种可能的冷却剂通过热交换器所显示的热交换器的新应用，以及冷冻剂流途径的新奇特性就提供了资源的有效利用。

如下图2所示，可以使用传热流体的贮存(致冷回收单元)来回收致冷余热和贮存过量的致冷剂，以满足循环致冷/加热要求。

如图2所示，另一种LBP致冷剂的使用，以使LBP致冷剂(使与冷冻剂进行热交换)的冷凝和蒸发减轻了机械压缩和膨胀的需求。

下面参照图1的流程图，提供了致冷系统10。预冷液体20通过热交换器52的入口，然后作为热的预冷液体22从热交换器的出口排出。预冷液体的温度典型地在约15℃-约-40℃的范围内。预冷液体的实例可以是水冷却剂(温度范围约15℃-约2℃)和乙二醇冷冻剂(温度范围约2℃--40℃)。

冷冻剂30一开始就分为流32和42。冷冻剂流42通过热交换器54的入口，并以冷冻剂流44从热交换54的出口排出。冷冻剂流32分为冷冻剂流34和36。

冷冻剂流36直接进入冷凝器(冷阱)18的入口，使来自冷冻室16内的冷冻室搁架97的蒸汽相物质冷却为固相。冷冻剂流38从冷凝器18的出口排出，冷冻剂流38再分成为冷冻剂流39和46。冷冻剂流46可以与冷冻剂流34合并，以形成合并的冷冻剂流48，冷冻剂流48进入热交换器56的入口。冷冻剂流50从热交换器56的出口排出，并与冷冻剂流44合并，形成合并的冷冻剂流52。此后，冷冻剂流52和39合并形成合并的冷冻剂流40，冷冻剂流40以气态排出。

低温冷却传热流体流60(下文称为“传热流体流”)借助流体泵12的驱动经过三通电动调节控制阀63的入口。传热流体流61和64从三通阀63的出口排出。在开始降温循环期间，流60可以热至80℃(由于蒸汽消毒程序)。三通阀将启动，可以使传热流体流61经过热交换器52，作为较冷的传热流体流62从热交换器52的出口排出。当流60的温度达到0℃至-30℃的范围时，三通阀再次启动，只允许其它的传热流体流64经过热交换器54的入口，以进一步冷却的传热流体流65从其出口排出。已经考虑到热交换器52将提供使传热流体流在约60℃至约-30℃的温度范围内冷却传热流体流的装置，热交换器54将提供使传热流体流在温度约0℃至约-90℃的范围内冷却传热流体流的装置。实际上，选择运转一台热交换器还是两台热交换器取决于传热流体60的温度和冷冻干燥过程的温度循环。三通控制阀63可以换向使流60流到61，或者换向使流60流到64。冷却的流体传输流62和65交替地进行调节，以形成流体流66。

传热流体流70借助泵14的驱动作用通过热交换器56的入口，以传热流体流74从热交换器56的出口排出，传热流体流70由冷冻干燥搁架97和冷冻干燥室16部分地再循环，传热流体流74依次再经过加热单元58的入口，并以传热流体流76从加热单元的出口排出。热的传热流体流72、74和76的流量主要借助泵14的驱动进行控制。只在升温循环期间才向加热单元58供给热量。在此循环期间，加热单元58和泵14完全调节传热流体通过冷冻干燥搁架97和室16的温度。在此循环时，泵12将停止传热流体向热交换器的循环。在冷却循环期间，传热流体流66和76合并，形成迳直送往冷冻干燥室搁架97和室16入口的传热流体流78。实际上，传热流体流78都经过冷冻干燥搁架97和室16，以实现冷冻干燥室搁架97冷冻干燥室中物质的冷冻干燥。

废的传热流体流80是从冷冻干燥搁架97和冷冻干燥室16的出口排出的，废的传热流体流80又分为供再循环的热的传热流体流70和82。在冷却循环和保温循环期间，如果泵14驱动，传热流体流70通过泵14的入口，以传热流体流72从泵14的出口排出。传热流体流82经过泵12的入口，以传热流体流60从泵12的出口排出。

任何冷冻的挥发性物质将通过高真空下的升华被蒸发，以流90从冷冻干燥室16排出。余下的废流94从冷凝器18的出口排出，这时它被真空泵95抽出。从真空泵95出口排出的废流96也被除去。

一般说来，致冷系统的操作将包括直接送往冷凝器的冷冻剂流的使用。传热流体依次用预冷介质冷却，然后利用冷冻剂通过许多热交换器装置低温冷却，送入冷冻干燥搁架和冷冻干燥室内，最后再循环。该系统提供冷冻剂的特定有效的利用，以冷却传热流体的温度，从而只需要为冷却传热流体和在冷冻干燥搁架和冷冻干燥室中冷冻干燥物质所必须的最少量的冷冻剂。

由于冷冻室16和冷冻室搁架97的操作温度必须高于冷凝室18的温度，因此在冷凝器18中使用冷冻剂可消除在冷却循环期间开动加热器58和产生另外的传热再循环回路的要求。因此本方法更有效，和耗弗较少投资。

现在参照图2，图2表示了系统210的实施方案，其中使用致冷回收单元245来维持温度，并使传热流体再循环。另外一个单独的液体LBP致冷剂系统298提供LBP致冷剂来通过冷凝器218。

预冷液体220通过热交换器252的入口，以较热的预冷液体222排出热交换器。正如前面所讨论的那样，预冷液体可以是冷水、乙二醇深冷剂或其它在温度约-40℃下操作的类似液体冷却剂。

冷冻剂230一开始分成流232和242。冷冻剂流242通过热交换器254的入口，并以冷冻剂流244从其出口排出。冷冻剂232进一步分成冷冻剂流234和236。

冷冻剂流236直接进入LBP致冷剂冷凝器218。冷冻剂流238从LBP致冷剂冷凝器218的出口排出，冷冻剂流238分成冷冻剂流239和246。在冷却和保温循环期间，冷冻剂流246可以与冷冻剂流234合并，以形成合并的冷冻剂流248，冷冻剂流248进入热交换器256的入口。热的冷冻剂250从热交换器256的出口排出，与冷冻剂流244合并，形成合并的冷冻剂流252。冷冻剂流252和239合并，形成合并的冷冻剂流240，冷冻剂流240又分成冷冻剂流241和243。冷冻剂流243进入致冷回收单元245的入口，并以热的冷冻剂流247排出。因此，冷冻剂流243的余热被回收和贮存。例如在开始冷却期间，或传热流体变得过冷时(达到它的冰点)，这时如果流243的温度高于致冷回收单元245的温度，则另外的冷冻剂流241将走旁路绕过致冷回收单元245，可以与冷冻剂流247合并形成冷冻剂流249，以废物弃之或气体贮存。

传热流体流260使用流体泵212泵入三通电动调制控制阀263的入口。在开始冷却和保温循环期间，三通控制阀只允许传热流体流261从阀263的出口排出。传热流体流261通过热交换器252的入口，以较冷的传热流体流262排出。当温度趋近0℃至-30℃范围时，三通控制阀将只允许传热流体流264通过热交换器254的入口，以进一步冷却的传热流体流265从该热交换器的出口排出。可以充分认识到热交换器252在约-5℃至约50℃的温度范围内将提供冷却传热流体流的装置，并且热交换器254在约0℃至约-80℃的温度范围内也将提供冷却传热流体流的装置。实际上这两个热交换器选择那台操作在很大程度上取决于冷冻干燥器的温度冷却循环、传热流260的温度、系统中所使用的冷冻剂和传热流体的类型以及通过控制阀263的传热流体流的流量。冷却的传热流体流262和265可以合并形成流体流266。

传热流体流272使用泵214的驱动装置泵入热交换器256的入口，作为流体流274从热交换器256的出口排出，传热流体流272由冷冻干燥搁架297和冷冻干燥室216的出口排出的传热流体流28 0分出，传热流体流274又经过加热单元258，以传热流体流276从该加热单元的出口排出。传热流体流272、274和276的流量主要由泵214的驱动控制。只是在冷冻干燥过程加热或升温循环期间才向加热单元258供应热量。加热单元258和泵214部分地调节了传热流体经过冷冻干燥搁架297和冷冻室216的温度。

在冷却和保温循环期间，传热流体流266和276合并，形成传热流体流278，热的传热流体流278直接送往冷冻干燥搁架297和冷冻干燥室216的入口。实际上，热的传热流体流278通过每一个冷冻干燥搁架297和冷冻室216，以实现物质在冷冻干燥搁架297和冷冻室216中的冷冻干燥。废的传热流体流280从冷冻干燥搁架297和冷冻室216的出口排出，废的传热流体流280又使用三向电动调节控制阀289分为传热流体流281和283。传热流体流283分为270和282。如果泵214的驱动装置工作的话，则传热流体流270通过泵214的进口，并作为传热流体流272排出。另一传热流体流282通过泵212的进口，作为传热流体流260从泵212的出口排出。在冷却和保温循环期间，传热流体流281经过致冷回收单元245的入口，作为传热流体流251从其出口排出。传热流体流251和282合并形成传热流体流287。

任何冷冻的挥发性的物质通过升华而蒸发，作为流290从冷冻干燥室216排出。当余下的废流294从真空泵295引出时，它就从冷凝器218的出口排出。当废流296从真空泵295的出口排出时，它就被除去。

另外的致冷系统298能够使用单独的LBP致冷剂来降低冷凝器的温度。LBP致冷剂211的实例包括选自由烃和氟碳化物为基的一组气体，这些气体很容易被一种冷冻剂冷凝，这种冷冻剂在冷凝器内汽化以提供恒定的冷却温度。优选的LBP致冷剂是三氟一氯甲烷(氟里昂13)。LBP致冷剂气体211通过LBP致冷剂冷凝器213的入口，并作为液化的冷的LBP致冷剂215从其出口排出，致冷剂215然后经过泵217，作为LBP致冷剂流219从该泵的出口排出。LBP致冷剂流219经过冷凝器218的入口，以除去来自冷冻干燥搁架297和冷冻干燥室216的挥发性物质。LBP致冷剂在冷凝器218内汽化，以形成气体LBP致冷剂211。

图2提供的致冷系统的这第二种实施方案一般包括致冷回收单元的使用，以及进入冷凝器的单独致冷剂的使用。致冷回收单元回收蒸发的冷冻剂的废冷量和贮存传热流体的过剩冷量。另外的致冷剂能够使用常见的物质，这种常见的物质能够减轻对某些压缩和膨胀设备的要求，因此使工艺过程更加有效。

因为冷冻干燥室216和冷冻干燥搁架297必须在高于冷凝器218的温度下操作，因此在冷凝器218中使用LBP致冷制可消除在冷却循环期间打开加热器258的要求或产生另外的传热流体循还回路的要求。因此，该方法更有效，且所需投资较少。

上文论述的部件的尺寸、形状、类型、数量和配置都可以作出各种改变，这一点对于本领域的技术人员将是显而易见的。例如，虽然上文所述的冷冻干燥系统使用了以中空搁架形式作为管路系统部件的冷冻室，该管路系统使传热流体通过冷冻干燥系进行循环，但其它的致冷系统在传热流体的管道系统中也可以使用空心壁板、蛇形管、或其它形式的冷冻室。根据需要可以使用不同的熟知的致冷剂和传热流体。所述的供管路系统使用的20这种类型控制阀可以由其它合适类型的阀代替。为简单起见，图中未画出某些止回阀，蒸汽阀，流量计，压力传感器和热电偶，但是，本领域的技术人员是充分了解这些物件的。因此根据上面所述内容，可以作一些改变，而不会违背本发明的精神和附加权利要求的范围。其它可供选择的实施方案对于本领域的技术人员是可以想到的，亦应并包括在本权利要求的范围内。

Claims (10)

1.在致冷系统中控制冷冻干燥搁架和冷冻干燥室温度的方法，该致冷系统具有在操作中与其相关的冷凝器，该方法包括：

使冷冻剂通过所述冷凝器进行循环；和

为控制冷冻室搁架的温度，使低温冷却传热流体通过所述冷冻室搁架进行循环，所述低温冷却传热流体的温度由与所述冷冻剂的热交换进行调节。

2.权利要求1的方法，其中所述低温冷却传热流体的温度由通过许多热交换器与所述冷冻剂的热交换进行调节的。

3.权利要求1的方法，其中所述低温冷却传热流体的温度由使所述低温冷却传热流体通过加热单元进行进一步调节。

4.权利要求1的方法，其中所述低温冷却传热流体的温度由使所述低温冷却传热流体通过预冷介质进行部分调节。

5.冷冻干燥方法，它包括：

提供一冷冻干燥室，该冷冻干燥室具有操作中与其相关的冷凝器；

使冷冻剂通过所述冷凝器进行循环；

为控制冷冻室搁架的温度，使低温冷却传热流体通过所述冷冻室搁架进行循环，所述低温冷却传热流体的温度由与所述冷冻剂的热交换进行调节。

6.权利要求5的方法，其中所述低温冷却传热流体的温度是通过许多热交换器与所述冷冻剂的热交换进行调节的。

7.权利要求5的方法，其中所述低温冷却传热流体的温度是由使所述低温冷却传热流体通过加热单元进一步进行调节的。

8.冷冻干燥设备，它包括：

使物质进行冷冻干燥过程的冷冻干燥室，在冷冻干燥过程中，物质中所含的水分被冷冻，并升华为蒸汽；

所述冷冻干燥室中的一系列冷冻搁架；

为使所述蒸汽冷冻，和为使所述蒸汽以固态形式积聚，在操作中与所述冷冻室相关的冷凝器，所述冷凝器至少有一条供接收冷冻所述蒸汽的冷冻剂的通路；

许多在所述冷冻剂和低温冷却传热流体之间进行热交换的热交换器；

低温冷却传热流体回路，在此回路中所述低温冷却传热流体的温度由所述的许多热交换器进行调节，和在此回路中，所述低温冷却传热流体通过所述冷冻干燥室，使物质冷冻，从中至少分离一部分液体；

冷冻剂回路，在此回路中所述冷冻剂的热通过所述热交换器传给低温冷却的传热流体，和所述冷冻剂通过所述冷凝器；

许多调节所述冷冻剂流量的阀门装置；和

至少一个供所述低温冷却传热流体通过所述冷冻剂回路进行循环的循环装置。

9.权利要求8的设备，其中所述低温冷却传热流体的温度是由预冷介质将热传给所述低温冷却传热流体而进行部分调节。

10.权利要求8的设备，其中所述低温冷却传热流体的温度是由使所述低温冷却传热流体通过加热单元而提高的。

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