CN115342603A - 循环风冷冻干燥系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种循环风冷冻干燥系统及方法，通过将料道分为速冻段、升华段和解吸段，通过第一循环风道依次连接速冻段和升华段并形成回路，在升华段至速冻段的风道上依次设有脱湿设备、鼓风机和制冷设备，以为速冻段提供冷冻气体；在速冻段至升华段的风道上依次设有脱湿设备、鼓风机和加热器，以为升华段提供升华干燥气体；通过第二循环风道连接解吸段形成回路，在第二循环风道上依次设有脱湿设备、鼓风机和加热器，以为解吸段提供解吸干燥气体；该系统通过循环风为各阶段提供冷干燥所需条件，依次实现冷冻干燥的冷冻、升华干燥和解吸干燥过程，传热效率高，无需提供抽真空设备，降低了制冷要求，有效降低设备成本，减少能耗。
Description
技术领域
本发明涉及冷冻干燥技术领域，尤其涉及一种循环风冷冻干燥系统及方法。
背景技术
干燥可使脱水制品具有较长的保存期。干燥的方法有多种，如传统的方法有晒干、煮干、烘干和喷雾干燥等，这些干燥方法都是在0℃以上或更高的温度下进行。传统干燥所得的产品，一般会体积缩小、质地变硬，有些物质发生了氧化，一些易挥发的成分大部分会损失掉，而热敏性的物质，如蛋白质、维生素会发生变性，微生物会失去生物活力，且干燥后的物质不易在水中溶解。因此传统干燥方式不适合高价值物料的干燥处理。
近年来，真空冷冻干燥技术在热敏性物料干燥应用日益增加。真空冷冻干燥简称冻干，物料冷冻后通过一次干燥升华过程及二次干燥解吸过程分别除去物料中的冻结水和结合水。由于真空冷冻干燥技术为物料干燥提供了低温、真空的环境，大部分的生物反应停滞，且处理过程中无液态水存在，水分在固体状态下直接升华，使物料的原有结构和形状得到最大程度的保护。然而，真空冷冻干燥处理必须依靠真空泵来维持一个低压环境，并且制冷设备还需提供-40℃以下的低温条件，用作蒸汽凝结器的冷源。在真空冷冻干燥处理过程中，由于没有对流传热，干燥效率很低，处理高含水率物料往往需要长达30h以上的干燥时间。此外，目前国内外的大型真空冷冻干燥设备大部分采用冷冻、干燥分离，这样就须单独配套建造速冻库。干燥过程中对真空和制冷技术，设备精密度等都要求较高，从而导致设备的结构复杂，能耗和成本较高。
发明内容
本发明提供一种循环风冷冻干燥系统及方法，用以解决现有技术中冷冻干燥对真空和制冷条件要求高导致成本能耗较高的缺陷，实现低成本高效率的冷冻干燥。
本发明提供一种循环风冷冻干燥系统，包括：
料道，所述料道由料道入口至料道出口依次包括速冻段、升华段和解吸段；
第一循环风道，所述第一循环风道依次连接所述速冻段和所述升华段并形成回路，在所述升华段至所述速冻段的风道上依次设有第一脱湿设备、第一鼓风机和制冷设备，以为所述速冻段提供冷冻气体；在所述速冻段至所述升华段的风道上依次设有第二脱湿设备、第二鼓风机和第一加热器，以为所述升华段提供升华干燥气体；
第二循环风道，所述第二循环风道连接所述解吸段形成回路，在所述第二循环风道上依次设有第三脱湿设备、第三鼓风机和第二加热器，以为所述解吸段提供解吸干燥气体。
根据本发明的一个实施例，所述第一循环风道和所述第二循环风道的风向与所述料道中的物料流向相反。
根据本发明的一个实施例，所述第一循环风道为所述速冻段提供的冷冻气体为-40℃～-196℃的氮气。
根据本发明的一个实施例，所述第一循环风道为所述升华段提供的升华干燥气体为低于物料共晶温度的氮气
根据本发明的一个实施例，所述第二循环风道为所述解吸段提供的解吸干燥气体为20℃～70℃的干燥氮气。
根据本发明的一个实施例，所述速冻段、所述升华段和所述解吸段分别为卧式流化床，所述卧式流化床具有传送带，所述第一循环风道和第二循环风道的气流自下往上贯穿所述传送带。
根据本发明的一个实施例，所述述速冻段、所述升华段和所述解吸段分别为立式流化床，所述第一循环风道和第二循环风道的气流自下往上贯穿所述立式流化床。
根据本发明的一个实施例，所述述速冻段、所述升华段和所述解吸段分别为螺旋式流化床，所述螺旋式流化床具有螺旋槽，所述第一循环风道和第二循环风道的气流自下往上贯穿所述螺旋槽。
根据本发明的一个实施例，所述速冻段、所述升华段和所述解吸段的两端分别设有过渡段，所述过渡段分别与所述速冻段、所述升华段以及所述解吸段之间设有风门。
本发明还提供一种循环风冷冻干燥方法，包括：通过如上所述的循环风冷冻干燥系统对物料进行处理，其中，包括如下步骤：
将湿料依次经过料道的速冻段、升华段和解吸段；
冷冻步骤，通过第一循环风道向所述速冻段内通入冷冻气体对物料进行冷冻；
升华干燥步骤，将所述冷冻气体脱湿升温后得到升华干燥气体并通入升华段，对物料进行升华干燥；
解吸干燥步骤，通过第二循环风道向所述解吸段内通入解吸干燥气体对物料进行解吸干燥，获得干料。
本发明提供的循环风冷冻干燥系统及方法，通过将料道分为速冻段、升华段和解吸段，通过第一循环风道依次连接速冻段和升华段并形成回路，在升华段至速冻段的风道上依次设有脱湿设备、鼓风机和制冷设备，以为速冻段提供冷冻气体；在速冻段至升华段的风道上依次设有脱湿设备、鼓风机和加热器，以为升华段提供升华干燥气体；通过第二循环风道连接解吸段形成回路，在第二循环风道上依次设有脱湿设备、鼓风机和加热器，以为解吸段提供解吸干燥气体；该系统通过循环风为各阶段提供冷干燥所需条件，依次实现冷冻干燥的冷冻、升华干燥和解吸干燥过程，传热效率高，无需提供抽真空设备，降低了制冷要求，有效降低设备成本，减少能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的循环风冷冻干燥系统的结构示意图；
图2是本发明提供的卧式流化床形式的速冻段结构示意图；
图3是本发明提供的立式流化床形式的速冻段结构示意图；
图4是本发明提供的螺旋流化床形式的速冻段结构示意图；
图5是本发明提供的吸附脱水塔的结构示意图；
图6是本发明提供的循环风冷冻干燥系统另一实施例的结构示意图。
附图标记：
A、速冻段；B(B1～Bn)、升华段；C、解吸段；D、过渡段；E、风门；F、脱湿设备；G、鼓风机；H、制冷设备；I、真空泵；J、第一脱水塔；J’、第二脱水塔；K、加热器；HX、换热器；V1～V10、阀门。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1-图6描述本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明实施例提供一种循环风冷冻干燥系统，系统包括料道，料道由料道入口至料道出口依次分为速冻段A、升华段B和解吸段C，在速冻段A、升华段B和解吸段C的两端分别设有过渡段D，过渡段D分别与速冻段A、升华段B和解吸段C之间设有风门E。
本实施例中，具有第一循环风道和第二循环风道。第一循环风道为速冻/升华干燥循环风道，第二循环风道为解吸干燥循环风道。
具体的，如图1所示，第一循环风道依次连接速冻段A和升华段B并形成回路，在升华段B至速冻段A的风道上依次设有脱湿设备F、鼓风机G和制冷设备H，以产生冷冻气体通入速冻段A内，从而对速冻段A内的常温湿料进行冷冻。
在速冻段A至升华段B的风道上依次设有脱湿设备F、鼓风机G和加热器K，以产生升华干燥气体通入升华段B内，常温湿料经速冻段A内冷冻后由过渡段D进入升华段B内，升华干燥气体对升华段B内的物料进行升华干燥处理。
第二循环风道连接解吸段C形成回路，在第二循环风道上依次设有脱湿设备F、鼓风机G和加热器K，以产生解吸干燥气体进入解吸段C内。物料在升华段B内进行升华干燥处理后由过渡段D进入解吸段C，解吸干燥气体对解吸段C内的物料进行解吸干燥处理，经理处后的物料成为干料产品，从解吸段C末端的过渡段D排出。
本实施例中，第一循环风道和第二循环风道提供的循环气体为氮气，因此，第一循环风道和第二循环风道上配置的脱湿设备F、鼓风机G、加热器K以及制冷设备H均作为氮气处理设备。
其中，第一循环风道为速冻段A提供的冷冻气体为常压/带压低温氮气，氮气温度为-40℃～-196℃，常压/带压低温氮气经速冻段A吸收物料水分形成低温含湿氮气，低温含湿氮气进入脱湿设备F，除湿后氮气得到加热器K的升温成为升华干燥气体。该升华干燥气体为常压/带压控温冷风，该氮气温度低于物料共晶温度，升华干燥气体温度约～-40℃，比共晶温度略低5～10℃。升华干燥气体提供热量完成升华干燥。常压/带压控温冷风经升华段B吸收物料水分形成高温含湿氮气，依次经脱湿设备F、鼓风机G加速(加压)和制冷设备H后形成常压/带压低温氮气完成一个回路。
在速冻段A中，物料与低温氮气逆向流动换热，避免物料、气流间产生过大温差，防止物料发生冻裂。
第二循环风道为解吸段C提供的解吸干燥气体为常压/带压高温干燥氮气，常压/带压高温干燥氮气的温度为20℃～70℃。常压/带压高温干燥氮气经解吸段C吸收物料水分形成含湿氮气；含湿氮气在脱湿设备F内与干燥剂接触形成低含湿量氮气，低含湿量氮气通过鼓风机G加速(加压)、经加热器K调节温度形成常压/带压高温干燥氮气完成一个回路。
本实施例中，将第一循环风道和第二循环风道的风向与料道中的物料流向相反，使各循环风与料道中的物料产生对流，提高传热效率，提高物料冷冻干燥处理效果。
在一个实施例中，速冻段A、升华段B和解吸段C分别为卧式流化床，卧式流化床具有传送带。如图2所述，以速冻段A为例，物料自过渡段D进入速冻段A，物料在传送带上沿水平方向向前连续运动，流化床送风采用下送风方式，低温氮气向上穿过流化床同常温湿物料换热后，从顶部风口排出；物料传送带速度、送风速度及送风温度可根据干燥物料种类进行调控。
在一个实施例中，速冻段A、升华段B和解吸段C分别为立式流化床，如图3所述，以速冻段A为例，物料自过渡段D进入速冻段A，物料靠重力沿垂直方向向下运动，送风仍采用下送风方式，低温氮气向上导入速冻段A同常温湿物料换热后，从顶部排出。
在一个实施例中，速冻段A、升华段B和解吸段C分别为螺旋式流化床，螺旋式流化床具有螺旋槽，如图4所述，以速冻段A为例，物料自过渡段D进入速冻段A，受重力作用通过螺旋窄槽沿切线向下流过速冻段，低温氮气从料道出口逆向流入，以圆周运动的方式与物料交叉流动，同常温湿物料换热后通过上部排出。
本实施例中，升华段B送风温度比物料共晶温度低5～10℃，保证物料的升华干燥，升华段B物料可采用间歇式传送模式，待全部物料完成升华过程后再传送至解吸段C。
在一个实施例中，脱湿设备F为吸附式脱水塔，吸附式脱水塔可以选择双塔式或三塔式，可实现气体再生控制。吸附式脱水塔内干燥剂再生所需热量(能源)可优选制冷设备压缩机排气温度的高温段热量结合真空泵(变压、变温)用于干燥剂再生。
如图5所示，双塔吸附式脱水塔中左右两塔交替工作。当第一塔J工作时，常压/带压低温低含湿量氮气从α口进入，通过阀门V4自上而下进入第一脱水塔J进行吸附干燥，然后通过V6阀由β口流出；同时再生气通过γ口进入，由制冷压缩机机排气热供热的换热器HX加热得到再生热气，通过阀门V7自下而上进入第二脱水塔J’进行再生，之后再生气流通过阀门V1、V10由真空泵I将第二脱水塔J’内的再生热气抽出，再生阶段结束后，阀门V10关闭，阀门V9打开，对第二脱水塔J’进行升压，以达到额定的吸附工作压力；
升压阶段结束后，阀门V4、V6、V7关闭，阀门V3、V5、V8打开，第二脱水塔J’由再生塔转为吸附塔，第一脱水塔J进行再生，保证系统的持续运行。
本实施例采用循环冷风附加吸附设备收集干燥过程产生的水蒸气，同时优先采用制冷压缩机机排气热来实现吸附设备的再生，节能优势显著。
本实施例也可以扩展为多个吸附塔，吸附再生流程和所列举的两个吸附塔相同，此处不再赘述。
如图6所示，本实施例中的升华段B可以分流出多组，以提高物料升华干燥效率。
常温湿料进入料道入口，经过渡段D进入速冻段A；在速冻段A物料通过常压/带压低温氮气(-40℃～-196℃)强制循环进行低温冷冻，冷冻结束后打开风门E将物料按照速率之比分为n份分别进入各升华段B1～Bn；在升华段B1～Bn物料由常压/带压控温冷风(温度约～-40℃，比共晶温度略低5～10℃)提供热量完成升华干燥，升华干燥结束后打开风门E进入解吸段C；在解吸段C物料在常压/带压高温干燥氮气20℃～70℃中进行解吸干燥，最终常温干料通过过渡段D离开料道。
本发明实施例中采用的循环风不限于氮气，其他不与物料发生反应，不对物料造成影响的气体也是可以的。
本发明实施例还提供一种循环风冷冻干燥方法，该方法通过上述实施例中的循环风冷冻干燥系统对物料进行处理，其中，包括如下步骤：
将料道依次分为速冻段A、升华段B和解吸段C，将湿料依次经过料道的速冻段A、升华段B和解吸段C。
冷冻步骤，通过第一循环风道向速冻段A内通入常压/带压低温氮气(-40℃～-196℃)对物料进行冷冻；冷冻后的物料进入升华段B，吸湿后的氮气经过脱湿设备F除湿后，由鼓风机G送至加热器K中加热，得到常压/带压控温冷风，该冷风氮气温度约～-40℃，比共晶温度略低5～10℃。
升华干燥步骤，将常压/带压控温冷风送入升华段B，常压/带压控温冷风对物料进行升华干燥；常压/带压控温冷风吸湿后进行再除湿，并对氮气进行制冷得到常压/带压低温氮气(-40℃～-196℃)再次排入速冻段A中，为后续湿料进行冷冻。
解吸干燥步骤，通过第二循环风道向解吸段C内通入常压/带压高温干燥氮气(20℃～70℃)，对物料进行解吸干燥。经解吸段C吸收物料水分形成含湿氮气；含湿氮气在脱湿设备F内与干燥剂接触形成低含湿量氮气。低含湿量氮气通过鼓风机G加速(加压)、经加热器K调节温度形成常压/带压高温干燥氮气完成一个回路。常压/带压高温干燥氮气对升华干燥后的物料进行进一步的干燥，物料经解吸干燥后从解吸段C出口排出，得到干料。
本发明提供的系统和方法，对物料进行冷冻、升华干燥和解吸干燥三个步骤的处理，通过循环风为各阶段提供冷干燥所需条件，依次实现冷冻干燥的冷冻、升华干燥和解吸干燥过程，传热效率高，无需提供抽真空设备，降低了制冷要求，有效降低设备成本，减少能耗。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种循环风冷冻干燥系统，其特征在于，包括：
料道，所述料道由料道入口至料道出口依次包括速冻段、升华段和解吸段；
第一循环风道，所述第一循环风道依次连接所述速冻段和所述升华段并形成回路，在所述升华段至所述速冻段的风道上依次设有第一脱湿设备、第一鼓风机和制冷设备，以为所述速冻段提供冷冻气体；在所述速冻段至所述升华段的风道上依次设有第二脱湿设备、第二鼓风机和第一加热器，以为所述升华段提供升华干燥气体；
第二循环风道，所述第二循环风道连接所述解吸段形成回路，在所述第二循环风道上依次设有第三脱湿设备、第三鼓风机和第二加热器，以为所述解吸段提供解吸干燥气体。
2.根据权利要求1所述的循环风冷冻干燥系统，其特征在于，所述第一循环风道和所述第二循环风道的风向与所述料道中的物料流向相反。
3.根据权利要求1所述的循环风冷冻干燥系统，其特征在于，所述第一循环风道为所述速冻段提供的冷冻气体为-40℃～-196℃的氮气。
4.根据权利要求1所述的循环风冷冻干燥系统，其特征在于，所述第一循环风道为所述升华段提供的升华干燥气体为低于物料共晶温度的氮气。
5.根据权利要求1所述的循环风冷冻干燥系统，其特征在于，所述第二循环风道为所述解吸段提供的解吸干燥气体为20℃～70℃的干燥氮气。
6.根据权利要求1所述的循环风冷冻干燥系统，其特征在于，所述速冻段、所述升华段和所述解吸段分别为卧式流化床，所述卧式流化床具有传送带，所述第一循环风道和第二循环风道的气流自下往上贯穿所述传送带。
7.根据权利要求1所述的循环风冷冻干燥系统，其特征在于，所述述速冻段、所述升华段和所述解吸段分别为立式流化床，所述第一循环风道和第二循环风道的气流自下往上贯穿所述立式流化床。
8.根据权利要求1所述的循环风冷冻干燥系统，其特征在于，所述述速冻段、所述升华段和所述解吸段分别为螺旋式流化床，所述螺旋式流化床具有螺旋槽，所述第一循环风道和第二循环风道的气流自下往上贯穿所述螺旋槽。
9.根据权利要求1-8任一项所述的循环风冷冻干燥系统，其特征在于，所述速冻段、所述升华段和所述解吸段的两端分别设有过渡段，所述过渡段分别与所述速冻段、所述升华段以及所述解吸段之间设有风门。
10.一种循环风冷冻干燥方法，其特征在于，包括：通过如权利要求1-9任一项所述的循环风冷冻干燥系统对物料进行处理，其中，包括如下步骤：
将湿料依次经过料道的速冻段、升华段和解吸段；
冷冻步骤，通过第一循环风道向所述速冻段内通入冷冻气体对物料进行冷冻；
升华干燥步骤，将所述冷冻气体脱湿升温后得到升华干燥气体并通入升华段，对物料进行升华干燥；
解吸干燥步骤，通过第二循环风道向所述解吸段内通入解吸干燥气体对物料进行解吸干燥，获得干料。
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- 2022-08-30 CN CN202211049117.XA patent/CN115342603A/zh active Pending
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