真空冷冻干燥技术具有许多独特的优点,应用于食品、医疗、医药和材料等行业中,但因其设备精密、复杂和能耗高等缺点,使得推广应用受到极大限制。研究[1 ] 发现流化床冷冻干燥技术具有简单、节能等特点,而且冻干产品品质与真空冷冻干燥接近。
物料进行冷冻干燥必需的基本条件是使干燥器中的水蒸气压力始终保持低于水的三相点压力,在真空冷冻干燥中,这一条件是借助真空泵的抽吸作用, 降低物料周围介质的总压力实现的。在吸附式流化床中, 吸附剂起着传热介质、水汽吸收载体以及热源等多重作用,可直接由吸附剂吸收介质中的水蒸气来降低蒸汽分压力, 而不需降低总压力, 所以不需要真空设备[1 ,2 ] 。同时因不需用“冷阱”来捕捉水蒸气, 制冷设备的蒸发温度也可提高,只要保证在干燥过程中不超过物料的玻璃化转变温度即可[3 ] ,这些都有利于降低电耗。流化床冷冻干燥制冷系统可使流化床处于较低的温度下,以保证物料升华冷冻干燥,同时可通过调节冷量,使流化床在不同温度下进行工作。
本文分析了用于流化床冷冻干燥装置上的空气制冷循环,提出了一种复叠式制冷系统,并对系统的性能进行了分析,得出了适合于流化床冷冻干燥的工况。
基本循环
基本循环如图1 所示,其中粗箭头表示空气循环的方向。具体流程是:常温常压空气经压气机1压缩,通过冷却器2 冷却至环境温度,在膨胀机3中进行绝热膨胀,压力下降,且温度下降到低温工况,低温空气进入吸附式流化床4 ,为吸附式流化
床冷冻干燥过程提供冷量。经过流化床后,空气进入热交换器5 ,回收冷量后,空气再进入压气机1 。
细箭头表示制冷剂循环的方向,该循环为一个附属的制冷系统:膨胀机3 的回收功,可以作为附属制冷系统压缩机1f 的输入功,在热交换器5 中,从流化床流出的冷空气对附属制冷系统的高温高压的制冷剂进行冷却;2f 为一节流阀;该附属制冷系统的蒸发盘管直接缠绕在流化床的壁层上(其外包上保温层) 。
物料的质量通过电子天平A 进行秤量,冷却夹套B 由蒸发盘管和保温层构成,C 为温度探头,可以对物料以及流化床的温度进行测控,D 为布风板,E 为吸附剂。吸附剂在流化床中,在低温、常压的条件下吸收水分,使得物料干燥。在这个过程中
吸附剂放出了热量,同时,吸附剂需要有一个脱附的过程。
