流化床冷冻干燥气体制冷循环工质的比较研究

　　1 引言

　　氩气是一种无色、无味的惰性气体。氩气是单原子气体,分子量为39.9,在标准状态下,其密度为1.784kg/m³, 其沸点为-185.7°C,在空气中氩的体积含量为0.932%。在分离氧、氮的同时,将氩馏分抽出,进一步分离提纯,可得到氩副产品。氩气为惰性气体, 本身无毒,对人体无直接危害。氩气是目前工业上应用很广的稀有气体,其性质十分不活泼,既不能燃烧,也不助燃。氮气是一种无色无味气体,分子量为28。在 食品的生产中,氮气可以防止食品的氧化、霉菌生长、受潮以及害虫侵扰,也可在运输过程中对易腐食品进行冷藏。

　　在一些热敏性药品冷冻干燥生产过程中,氩气、氮气都可以作为保护气,防止在冷冻干燥过程中,药品与空气中的氧气发生反应而失效。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。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汽来降低蒸汽分压力,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,只要保证在干燥过程中温度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,以保证热敏性物料正常干燥。

　　本文分析了应用在流化床冷冻干燥装置上的制冷循环,对氩气、氮气作为工质应用于该系统的性能进行了计算,在此基础上,做对比研究。

　　2 制冷循环

　　制冷循环如图1所示,其中粗实线方向表示气体工质循环的方向。具体流程是:常温常压气体工质经压气机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,低温气体工质进入吸附式流化床4,为吸附式流化床冷冻干燥过程提供冷量。经过流化床后,气体工质 进入热交换器5,回收冷量后,气体工质进入压气机1。

　　细实线方向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, 从流化床流出的冷气体工质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,以低温、常压的条件吸收水分,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^[2]。