真空冷凍干燥技術的工藝和設備

真空冷凍枯燥技術的工藝和設備真空冷凍枯燥技術是將含水物料在低溫狀態(tài)下凍結,然后在真空條件下,使冰直接升華成水蒸技術的進展而快速興起的一門多學科綜合應用技術。隨著凍干食品的快速進展與應用,國內(nèi)凍干食品的生產(chǎn)廠家也越來越多,如何運用凍干設備生實際的生產(chǎn)過程中,使整個凍干工藝到達最優(yōu)值,降低本錢,提高生產(chǎn)率,通過對玫瑰花的真空冷凍枯燥試驗的分析,對影響真空凍干的過程參數(shù)進展了試驗爭論。試驗說明:隔板溫度、枯燥室真空度是很重要的兩個參數(shù);凍結速率對總凍干時間沒影響。在試驗測試的根底上,爭論了過程參數(shù)隔板溫度、枯燥室真空度的影響,目的在于削減凍干時間和降低能耗。得出最優(yōu)化參數(shù)是:溫度為55℃,壓強為39Pa,較優(yōu)工藝參數(shù)的驗證結果說明優(yōu)化結果符合實際狀況。最終通過對小型的真空冷凍枯燥機的設計,探究了食品凍干設備的設計理論。第一章緒論1.1真空冷凍枯燥的原理真空冷凍枯燥技術是技術含量比較高、涉及學問面比較廣的一種技術,也是一門試驗性很強的技術。真空冷凍枯燥是先將濕物料凍結到共晶點溫度以下,使水份變成固態(tài)的冰,然后在適當?shù)臏囟群驼婵斩认?使冰升華為水蒸汽,再用真空系統(tǒng)的捕水器將水蒸氣冷凝,從而獲得枯燥低壓下。因此,真空冷凍枯燥的根本原理就是低溫低壓下傳熱傳質(zhì)的機理?；瘜W熱力學中的相平衡理論是真空冷凍枯燥技術原理的根底。在肯定的壓力和溫度下,水的三種形態(tài)之間達到肯定的相平衡,據(jù)此得到水的相圖(11)。三相點顯示了水的氣、液、固三相共存的壓力和溫度條件。1l水的相平衡圖當蒸汽壓大于三相點壓力P。(610.SPa)時,冰首先溶化為水然后再由水轉化為水蒸氣,其過程為蒸發(fā)過程;假設低于三相點壓力,冰可直接升華為水蒸氣,室內(nèi)的真空度低于6lOPa確定壓力,物料溫度低于零度,物料內(nèi)的冰晶才能直接升華成水蒸氣。一般承受預凍結的方法先將含水物品快速低溫凍結,然后在高真空的條件下,使物品中的冰晶升華,待冰晶升華后再除去物品中的吸附水,即成為冷凍枯燥物品。冷凍枯燥物品的殘留水量一般在%14%左右。.2真空冷凍枯燥特點真空冷凍枯燥是物質(zhì)脫水枯燥的一種工藝措施,3個主要過程.其中升華和解析是在真空條件下進展的.與其他枯燥方法(自然風干、曬干、熱風枯燥)相比,具有以下特點:冷凍枯燥在低溫下進展,且處于高真空狀態(tài),因此對于很多熱敏性的物質(zhì)特別適用,如蛋白質(zhì)、微生物之類不會發(fā)生變性或失去生物活力川。一些易氧化的物質(zhì)得到了保護,保存了穎食品的色、香、味及養(yǎng)分成分。由于在凍結的狀態(tài)下進展枯燥,因此體積幾乎不變,保持了原來的構造,不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象?？菰锖蟮奈镔|(zhì)疏松多孔,呈海綿狀,加水后溶解快速而完全,幾乎馬上恢復原來的性狀。凍干產(chǎn)品脫水徹底,含水量低(2%一5%),重量輕,貯運便利;凍干制品實行真空或充氮氣包裝和避光保存,可保持5年不變質(zhì)。由于重量輕,可室溫貯運銷售,對營銷格外有利。與速凍制品相比,免除了運輸儲存、銷售過程中消耗很高的冷藏鏈。.6在升華過程中溶于水中的可溶性物質(zhì)就地析出,避開了一般枯燥方法中的外表硬化和養(yǎng)分損失的現(xiàn)象。7.冷凍枯燥產(chǎn)品價格高,設備投資大,本錢高。真空冷凍枯燥技術的應用真空冷凍枯燥技術用途廣泛,涉及到生物工程、醫(yī)藥工程、食品工程、材料工程等領域。枯燥產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異,有毒有害物質(zhì)可以回收。1.醫(yī)藥方面:維生素、抗生素、疫苗、活菌菌苗等。.2食品方面:蔬菜類、肉類、水果類、水產(chǎn)類、便利面類、速溶飲料等。3.各種標本、活組織方面:干花、動植物標本、移植的皮膚、角膜、骨骼、主動脈等。.4微生物和藻類方面:酵母、酵素、原生動物、微細藻類等。5.材料科學方面:制備粒徑為納米級的金屬和陶瓷微粉,制備隔熱輕陶瓷,合成超導粉等。.6在考古和古舊書畫復原方面:如古舊書畫的修補、圖書館的書籍、檔案館的文獻復原等。其他:在放射性同位素及廢核燃料中的應用,此外凍干還應用于非水溶液的枯燥2l[。國內(nèi)外真空冷凍枯燥的進展和應用凍干作為科學技術還是近百年來的事情。1890年Altmamr在制作標本時,為了防止標本中的物質(zhì)在有機溶劑中溶解造成不行逆損失,轉變過去用有機溶劑脫水的方法,而承受冷凍枯燥法凍干了多種器官和組織.他的工作確立了生物標本系統(tǒng)的凍干程序,這是凍干在制作生物標本中的最早應用.1909Shackn將凍干引入細菌學和血清血領域3l[。他承受鹽冰預凍,在真空狀態(tài)下用硫酸作吸水劑,對補體、抗毒素、狂犬病毒、免疫血清、肉和血液等進展凍干,其設備雖格外簡陋,但卻是后世先進凍干機的雛形.他在爭論與開發(fā)生物制品、蛋白質(zhì)的冷凍枯燥1930Flosdorf開頭了食品凍干試驗,1940年英國的Fikidd提,為了保證血液的供給,開發(fā)了真空凍干技術。1943年世界上最原始的食品凍干設備消滅在丹麥[”l。206070年月,國外對食品凍干爭論格外活潑。隨后各興旺國家將凍干技術廣泛應用于醫(yī)療藥品和食品工業(yè)領域。目前,國際上食品真空冷凍枯燥已向自動化、工業(yè)化進展,規(guī)模也越來越大。真空冷凍枯燥被認為是生產(chǎn)高品質(zhì)脫水食品的最好的加工方法。國外凍干食品品種之多,已,養(yǎng)分品類:鰲粉、蜂蜜、蜂王漿、甲魚、龜類等;水果類:蘋果、香蕉、梨、桃、草墓等;還有水產(chǎn)類,肉類,飲料,美國銷售的快餐食品中40%5%0是凍干品,4%0~7%0是凍干品。日本凍干豆醬早就與噴霧枯燥豆醬平分秋色。隨著凍干技術的推廣,對凍干理論和工藝的爭論也漸漸興盛起來。1944年,Flosdorf出版了世界上第一部有關冷凍枯燥技術和理論的專著,而在描述真空冷凍枯燥數(shù)學模型方面,SandllKing的冰界面均勻向后移動模型,URF模型,屬于穩(wěn)態(tài)模型。其主要思想是熱量通過枯燥層和冷凍層傳導到升華界面,使升華得以進展。產(chǎn)生的水蒸氣通過多孔的千燥層,在真空室內(nèi)擴散,最終被真空泵抽到捕水器內(nèi)捕集,隨著升華的進展,冰界面對凍結層均勻地退卻,在其后產(chǎn)生多孔的枯燥層。這種模型描述液態(tài)和固態(tài)物料的凍干過程是有效的。但是,實際的枯燥過程是非穩(wěn)態(tài)的。為了接近于實際狀況,1968年,D.2.Dyr。等又提出了準穩(wěn)態(tài)模型[51。第三種LifehieldLiapis2979年提出來的,稱為解析一升華模型。在該模型中,認為冷凍層的冰升華和枯燥層的吸附水解吸是同時進展的。國內(nèi)的冷凍枯燥事業(yè)起步較晚,我國凍干工業(yè)的進展在五十年月開頭,而且由于技術、產(chǎn)品和經(jīng)營上面的緣由,70年月到80年月后期我國在真空枯燥技術和設備方面進展了大量的科學爭論工作,到了90年月己有長足的進展。70年月中期在上海等地建立了食品凍干車間,80年月開頭,食品凍干技術受到了國際市場的影響,漸漸熱起來,青島其次食品廠領先引進日本的凍干設備,成立大洋公司,生產(chǎn)凍干蔥,姜片等產(chǎn)品,主要銷往日本.緊接著,寧夏寒利冰食品引進丹麥阿特斯公司生產(chǎn)的凍干設備,相繼生產(chǎn)出凍干蔬菜、水果、肉類及調(diào)味品等產(chǎn)品,主要用于出口.我國全部凍干食品的年生產(chǎn)總量雖然逐年增加,但遠遠滿足不了國際市場需求,所以進展前景格外寬闊。凍干食品的國際市場售價很高、利潤很大。如我國目前出口的凍干大蔥賣價約為18萬元/噸,凍干菠菜16萬元/噸,5萬元/40%6I]。如此高價也仍很搶手,難以滿足需求。1995年以來,,工藝技術到達了國外同類設備的先進水平.90年月以后生產(chǎn)的凍干機,絕大局部承受計算機進展自動掌握,從凍干機的運行程序設定、執(zhí)行、修改、凍干過程中溫度、真空度、時間、含水量等主要參數(shù)的采集均能自動進展。凍干工藝、凍千理論的爭論漸漸受到重視,20233次與真空冷凍枯燥有關20231810,會談論文集6篇有關真空冷凍枯燥的文章,1篇,3篇,1篇,1202382630日在北京召開了xDsI3htlnetmation已D叮ingsympposimu,9篇,2篇,工藝爭論7v[]。19969月在中國科大召開的中國真空學會四屆會議上,香港專家邵公田曾大膽地預言,中國的凍干食品將大量走向市場,并且風行全球8[]。1.5真空冷凍千燥的根本過程真空冷凍枯燥過程可分為預處理、預凍、凍干和后處理。預處理包括選擇、切清洗、漂燙、殺菌、添加反響劑和抗氧化劑等。其目的是去除雜物,使之易升華枯燥;去除醇素引起的變質(zhì);防止脂肪氧化和酵母引起的化學變質(zhì)。同時切分尺寸及切口方位影響凍干速率。如在物料的切制成片時,應垂直于食品的纖維方向切斷,這有利于枯燥時產(chǎn)生的水蒸氣逸出和提高局部傳熱系數(shù),可削減能耗9[]小,消耗的能量也隨著降低。在下階段凍結過程中,食品的初始溫度直接影響到凍結完畢時平均溫度,因此在預處理時應對食品進展預冷處理【`01510℃的水中快速冷卻。不同的食品,有不同的預處理工藝。預處理對凍干制品質(zhì)量影響很大,需嚴格按工藝要求操作。預凍預凍是將溶液中的自由水固化,使枯燥后產(chǎn)品與枯燥前有一樣的形態(tài),防止抽真空枯燥時起泡、濃縮、收縮和溶質(zhì)移動等不行逆變化產(chǎn)生,削減因溫度下降引起的物質(zhì)可溶性降低和生命特性的變化。,產(chǎn)品不同,其最優(yōu)冷凍速率也不同,應依據(jù)試驗來確定。二是預凍的最低溫度,應依據(jù)該產(chǎn)品的共熔點來打算,預凍的最低溫度應低于共熔點溫度。三是預凍時間,依據(jù)機器的狀況來打算,保證抽真空之前全部產(chǎn)品均已凍實。一般12小時即可開頭抽真空升華。)l預凍速率預凍的速度影響真空凍干食品的質(zhì)量與凍干速率。為了獲得不同的降溫速度,就要承受不同的預凍方法;例如有時需裝箱之后才開頭凍干箱的降溫;有時需要讓機器預先降到低溫,再將產(chǎn)品裝入凍干箱內(nèi)。由試驗中覺察,預凍過程中會產(chǎn)生溶質(zhì)效應和機械效應。溶質(zhì)效應就是在預凍過程中,水分漸漸凍結而削減,導致溶液中電解質(zhì)濃度漸漸上升,電解質(zhì)濃度的增加引起蛋白質(zhì)的變性,而使細胞死亡;另外電解質(zhì)濃度的增加會使細胞脫水而死亡111在某一溫度范圍最為明顯,這個溫度范圍是在水的冰點和該液體的全部固化溫度之間,為了減弱溶質(zhì)效應,需要以最高的凍結速率越過這個溫度范圍。機械效應就是預凍速度慢,產(chǎn)生冰晶大而不規(guī)章;枯燥時對于水蒸氣集中阻力小,有利于升華。但會對細胞組織產(chǎn)生嚴峻的機械損傷,影響成品的彈性和復水性,,形成的晶核數(shù)量越多,孔隙度越小,阻力越大,水蒸氣只有靠滲透穿過己干的固體膜層,枯燥時間大大延長,不利于升華,,食品溫度在一1℃一5℃時,其絕大局部從液相變?yōu)楣滔?被稱為最大冰晶生成帶。有閱歷的技術員會在凍結階段將預先設置的溫度(110℃)保存一段時間,以促進冰晶的生長l[2}香味對消費者來說是判定它質(zhì)量的一個重要準則,爭論認為,具有芳香風味的食品,慢凍過程中冰結晶之間的固體物質(zhì)局部較大,升華中通過集中香味損失削減,有利于芳香的保持。對于藥品、抗菌素以及血清,血漿和蛋白質(zhì)標本可以進展緩慢凍結,由于它們的生物特性不會發(fā)生變化。但是對細菌和病毒需要快速凍結,由于這樣能保持它們的生命力量,避開溶質(zhì)效應的產(chǎn)生。綜上所述,需要選取一個適宜的預凍速度,以得到較高的存活率和較好的物理性狀及溶解度,且有利于枯燥過程中的升華。不同的物料應通過試驗確定其最正確預凍速度。預凍溫度食品在進入枯燥室以前必需低于共晶點溫度,共晶點溫度必需在預凍前通過試驗測得。測定共晶點的方法有多種,有電阻檢測法、差熱掃描法、低溫顯微鏡直接觀看法等。其中電阻檢測法方廉價行。測量時一般先把需要凍干的產(chǎn)品配制成溶液,溶液凍結后離子將固定不能運動,因此電阻率將格外大,而有少量液體存在時電阻率將顯著下降。因此測量產(chǎn)品的電,一般預凍溫度要比共晶點溫度低5一10℃。3)預凍時間依據(jù)設備的狀況來打算,保證抽真空之前全部產(chǎn)品均已凍實。假設沒有凍實,則抽真空時產(chǎn)品會沒有肯定的外形;凍干箱的每一板層之間的溫差小,則預凍時間可以相應縮短,一般產(chǎn)品的12小時即可開頭抽真空升華。1.5.3凍干凍干是工藝要求最簡單的一道工序,要嚴格按肯定的工藝要求(即凍干曲線)設備,都有不同的凍干曲線,一般都是由試驗確定,和解吸枯燥。升華枯燥也稱為第一階段枯燥,將凍結后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中加熱,當全部冰晶除去時,第一階段枯燥就完成了,9開頭,逐步向內(nèi)推移的,冰晶升華后殘留下的空隙變成其后升華水蒸氣的逸出通道。在產(chǎn)品凍干的第一階段,除了要保持凍結產(chǎn)品的溫度不能超過共晶點以外,產(chǎn)品枯燥局部的溫度也必需低于其枯燥層外表容許的最高溫度(不燒焦或變性),還要保持已枯燥的產(chǎn)品溫度不能超過崩,產(chǎn)品就會發(fā)生熔化或產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象,致使凍干失敗,這時的溫度叫崩解溫度,崩解溫度主要由溶液的成分所打算。過低的崩解溫度會延長枯燥時間,而且可能是設備力量所不能到達的,可以通過選擇適宜的添加劑來提高崩解溫度。解吸枯燥也稱為其次階段枯燥。一旦產(chǎn)品內(nèi)的冰升華完畢,產(chǎn)品的枯燥就進入了其次階段。在第一階段枯燥后,在枯燥物質(zhì)的毛細管壁和極性基團上還吸附有一局部水分,這些水分是未被凍結的.當它們到達肯定含量時,就為微生物的生長生殖和某些反響供給了條件。為了使產(chǎn)品到達合格的剩余水份含量,改善產(chǎn)品的儲存穩(wěn)定性,延長保存期,階段,可以使產(chǎn)品的溫度快速地上升到該產(chǎn)品的最高允許溫度,并在該溫度下始終維持到凍干完畢為止。同時,為了使解析出來的水蒸氣有足夠的推動力逸出產(chǎn)品,必需使產(chǎn)品內(nèi)外形成較大的蒸汽壓差,因此在此階段中箱內(nèi)必需高真空。其次階段枯燥后,產(chǎn)品內(nèi)剩余水分的含量視產(chǎn)品種類和要求而定。一般在.045%一4%之間。食品在真空冷凍枯燥過程中需吸取肯定的熱量,,如何將熱量更為有效地傳給物料,將影響枯燥速率。真空冷凍枯燥的傳熱方式主要是傳導和輻射,其傳熱效率低。近年也有承受循環(huán)壓力法,其根本原理是降低真空度以增加強制對流的效能。凍干室壓強對凍干速率的影響在凍干過程中,增大壓強有利于傳熱但不利于傳質(zhì),降低壓力有利于傳質(zhì)但不利于傳熱。假設冷凍枯燥是傳熱掌握過程,則枯燥速率隨著枯燥室壓力上升而提高。假設冷凍枯燥是傳質(zhì)控制過程,則枯燥速率隨著枯燥室壓力降低而提高。解決此沖突的一個方法是承受壓力循環(huán)過程,即在凍干過程中承受時高時低的壓力,在高壓階段增加傳熱,加速升華;在低壓階段加速水汽集中,并按肯定循環(huán)速率循環(huán)交替,可以設想在肯定的壓力范圍內(nèi),可能到達比恒定壓力下更高的凍干速率。試驗說明,在較底的壓力范圍內(nèi)提高工作壓力可以加速凍干,而在同樣的壓力范圍內(nèi)承受循環(huán)壓力可更有效地提高凍干速率。循環(huán)壓力的波幅對凍干速率有明顯的影響,而對周期的影響13[]。凍干箱的適宜壓強一般認為是在0.les0.3毫巴之間,在這個壓強范圍內(nèi),既利于0.3毫巴時,產(chǎn)品可能熔化,此時應發(fā)出真空報警信號,切斷對產(chǎn)品的加熱,甚至啟動冷凍機對凍干箱進展降溫,以保護產(chǎn)品不致發(fā)生熔化。加熱方式對凍干速率的影響目前凍干機上常見的加熱方式有傳導加熱、輻射加熱和微波加熱傳導加熱傳導加熱的主要是以接觸式傳熱為主,利用載熱體通過加熱板來實現(xiàn),熱源有電加熱、蒸汽加12a所示,傳熱和傳質(zhì)的方向一樣,隨著升華外表不斷向內(nèi)退縮,已干層就愈來愈厚,凍結層愈來愈薄,因而傳質(zhì)的阻力越來越大,熱效率較高,但易造成物料受熱過度,影響產(chǎn)品質(zhì)量,假設掌握得當,可避開其缺陷。輻射加熱輻射加熱是熱量由熱輻射板通過輻射傳至物料枯燥層外表,再通過導熱和氣體對流的方式由1一2(b)所示,輻射式傳熱和傳質(zhì)的方向是相反的,內(nèi)部的凍結層溫度打算于傳熱和傳質(zhì)的平衡。一般輻射加熱的特點是:隨著枯燥過程中升華外表對內(nèi)退縮,已干層的厚度愈來愈厚,傳熱和傳質(zhì)的阻力同時增加。輻射式換熱可抑制接觸式傳熱的缺點,易保障產(chǎn)品的質(zhì)量,但所需時間較長,效率低。微波加熱微波加熱適合熱敏材料的凍干過程,12(c)所示:由于其傳熱根本不受枯燥層的影響,熱能可以直接到達物料的升華面,因而物料外表和升華面之間的溫差很小,可使冷凍層維持并接近物料允許的最高溫度,因而對枯燥過程是最有利的,可大大縮短枯燥時間,提高枯燥速率。4],凍干宜承受微波加熱,而小厚度物料凍干,宜承受外表加熱,即接觸式傳熱和輻射換熱;至于厚度的分界點,則視不同物料性質(zhì)打算l[5];微波枯燥具有加熱均勻、枯燥時間短等特點,13.P3a666.6Pa的枯燥室壓力下,微波加熱簡潔引起輝光放電現(xiàn)象。這種現(xiàn)象簡潔引起凍干食品的“鏈式反響”,最終導致冷凍枯燥的失敗,而且微波加熱易使凍干制品產(chǎn)生異味[”6]。微波加熱費用較高,過程較難掌握,目前處于進展階段,在工業(yè),分析。12物料內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)1.5.4后處理經(jīng)凍干的制品不僅含水量低,且其呈多孔狀,1001508l[],因而吸濕性強,易受氧化影響。為了便于保存,后處理不容無視,后處理的主要內(nèi)容是包裝。包裝材料一般選不透水、隔氧、遮光的真空鍍鋁薄膜及PET/鋁薄/即復合材料。包裝形式可承受真空包裝或真空充氣包裝(充氮或二氧化碳)食品中的微生物會導致包裝后食品的變質(zhì)和敗壞,必需實行各種有效的滅菌和消毒方法,對包裝材料和食品殺菌。對凍干食品來說,常用的方法有紫外線殺菌和輻射殺菌。值得一提的是在包裝過程中,隨著技術的進展,傳輸和保存過程中,極易受到病原微生物的污染,常規(guī)的化學或物理消毒方法都會損及紙的品質(zhì),尤其是化學消毒方法,,用紫外線燈進展滅菌,效果也不抱負,,殺菌從表面到內(nèi)部均能實現(xiàn)。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時提高枯燥速率,降低成品的價格,對凍干產(chǎn)品的發(fā),尋求先進可行的操作過程,對于一種的物料,在制定適宜的操作方案時,最好在試驗設備上測定主要因素對凍干過程的影響,以供實際操作時參考。隨著我國種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的進展,人們生活水平的提高,國際市場對真空冷凍枯燥食品需求量的不斷增加,食品的加工貯藏工業(yè)越來越被人們重視;冷凍枯燥作為技術必將得到進一步飛速進展,成為很有進展?jié)摿Φ募夹g領域。1.6本文解決的問題真空冷凍枯燥是一種優(yōu)質(zhì)的枯燥方法,但其枯燥周期長、枯燥設備較昂貴、能耗也較大,因而枯燥本錢較高,這是制約該方法更為廣泛應用的瓶頸,如何提高升華速率,縮短枯燥周期,始終是真空冷凍枯燥爭論的重點課題之一。一般來說影響真空冷凍枯燥速率的因素很多,例如:;:凍結的速率,冰晶的大小、外形;供熱的溫度,壓力等等。本文爭論目的就是如何降低能耗和縮短凍干周期,從而降低真空冷凍枯燥物品的本錢。本文從設備分析和工藝爭論兩個方面著手,首先對真空冷凍枯燥設備進展分析;接著在LGJ一25型真空冷凍枯燥機上進展正交試驗并得出相關數(shù)據(jù);然后用回歸分析的方法對試驗數(shù)據(jù)進展相關處理,得出最優(yōu)回歸方程;依據(jù)最優(yōu)回歸方程分析各工藝參數(shù)對枯燥時間的影響,并對得到的較優(yōu)工藝參數(shù)進展試驗驗證。得到的結論可以為設計高效率的凍干設備和制訂最正確的凍干過程掌握方案供給參考。其次章小型真空冷凍枯燥機的方案設計類型:一種是凍干合一型,,枯燥過程在干燥倉內(nèi)一次完成,這種形式削減了凍結食品的運輸,制冷裝置的關系,且對枯燥倉需要保溫:后者是食品凍結與枯燥過程分開進展,將凍結好的食品放入枯燥倉內(nèi)進展枯燥,枯燥倉內(nèi)不含制冷裝置,可簡化枯燥倉的構造。本文設計的是凍干合一型。設計的主要局部是真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。組成構造如圖21所示:21冷凍枯燥設備系統(tǒng)示意圖凍干箱凍干箱是凍干機的核心部件。凍干箱是一個能夠制冷到一60℃左右,能夠加熱到+70℃左右的凹凸溫箱,也是一個能抽成真空的密閉容器。它是凍干機的主要局部,需要凍干的產(chǎn)品就放在箱內(nèi)分層的金屬板層上,對產(chǎn)品進展冷凍,并在真空下加溫,藥用凍干機的物料冷凍和枯燥都在凍干箱內(nèi)完成;食品用凍干機的物料預凍合格后也在凍干,凍干箱內(nèi)需要有加熱和制冷的隔板,需要有熱或冷流體的導入,有電極引入部件,有觀看窗等部件。因設計中醫(yī)藥凍干機設計要求格外嚴格,因此本設計中設計只簡潔考慮食品凍干機。凍干箱的箱體是嚴格要求密封的外壓容器,假設帶有消毒滅菌功能的凍干機,箱體還必需能承受內(nèi)壓。箱體有圓筒形和長方形兩種。本設計為試驗型的凍干機,選用方形箱體。箱體壁厚的計算方形殼體壁厚可按矩形平板計算,板周邊固定,極限真空要求0.IPa,受外壓為0.IMPa。箱體的加工要求由于本凍干機為食品凍干機,箱體用不銹鋼IC1r8NigTi制造,內(nèi)外表需要作防銹處理,可噴涂不銹鋼,要求噴涂時承受無毒材料,嚴防有害物質(zhì)造成食品污染。且食品用的隔板一般要氧化處理。2,1.3擱板的構造在凍干箱內(nèi)要設計擱板。醫(yī)藥用凍干機的擱板上放置被凍干物料,擱板既是冷凍器又是加熱器;有些食品用凍干機的擱板上放置被凍干物料,大局部食品凍干機上不放置物料,而只是用,都要求擱板外表加工平坦,溫度分布均勻,構造設計的合理,,通常有四種形式:直冷直熱式,間冷間熱式,直冷間熱式和間冷直熱式l[91。直冷就是將擱板作為直冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器,制冷工質(zhì)通過節(jié)流膨脹,直接進入擱板中蒸發(fā)制冷;直熱就是將加熱器直接放入擱板中加熱。直冷直熱式的優(yōu)點是冷、熱效率高,構造簡潔,對于小型制冷機可用。直冷直熱式的缺點是降溫順加熱不均勻,不易調(diào)控,特別是加熱不均勻危急較大,可能產(chǎn)生局部過熱使凍干產(chǎn)品變質(zhì),故直熱式最好不承受。間冷是將制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器放在凍干箱的外面,制冷劑與冷媒(載冷劑)在蒸發(fā)器中進展熱交換,再將冷媒用循環(huán)泵通入擱板中;間熱是在凍千箱外將熱媒加熱,再介質(zhì),擱板比較簡潔;也可用不同介質(zhì),需要兩套介質(zhì)流淌管路,CIriSNigTi不銹鋼材料制造,承受特別空心夾板,強度高、密封性好。板層在長期熱脹冷縮的工作條件下,不變形,不滲漏。擱板外表要求平坦、光滑,符合MGP(醫(yī)藥制造治理和品質(zhì)治理規(guī)章)要求,外表平坦度士Innll/m,板層厚度ZOunn。最上一塊擱板為溫度補償板,確保箱內(nèi)的空間都處在一樣的溫度條件下。22圖如下:隔板組由+n1塊隔板組成,其中n塊隔板是裝載制品用的,稱為有效隔板,最上一層隔板不裝制品。2.1.4箱體加熱負荷確實定在升華階段,需要為產(chǎn)品中的冰供給升華熱。一般間接加熱所用的熱源為電熱、蒸汽,壓縮機排氣或其他熱源,目前以電熱最為普遍。加熱量的大小主要取決于升華速率、箱體內(nèi)部部件的質(zhì)量和載熱介質(zhì)的質(zhì)量?？砂聪率接嬎鉡,”]:2.1.5凍干箱的絕熱為削減凍干箱的冷熱損失,凍干箱外需要設計絕熱構造。凍干箱壁外應有保溫層和防潮層,最外側是外。保溫層厚度通過熱量計算確定。保溫層材料通常用聚氨酷泡沫塑料,現(xiàn)場發(fā)泡。真空系統(tǒng)主泵選擇的依據(jù)1、依據(jù)空載時真空室需要到達的極限真空度和枯燥物料時所要求的工作壓力選擇主泵的類型。2、依據(jù)工藝生產(chǎn)中被枯燥物料所放出的氣體、真空室內(nèi)構件的放氣量及系統(tǒng)的總漏氣率選擇主泵的大小。3、主泵(羅茨泵)的性質(zhì):主泵需要配前級泵。配前級泵的幾點規(guī)定:①前級泵應保證始終準時排解主泵所排出的氣體流量;②前級泵在主泵(羅茨泵)出口處造成的壓強應低于主泵的最大排氣壓強;③兼作預抽泵的前級泵要滿足預抽時間及預抽真空度的要求。羅茨泵由于轉子與轉子、轉子與定子間的間隙較大,所以它對氣體的壓縮比較小,一般比其前級泵要大些。對于真空冷凍枯燥來說,5一15Pa。從《真空冷凍枯燥機機械行業(yè)標準》可查到羅茨泵的最正確壓力使用范圍為1一104Pa。所以主去,必需有一個前級泵,并且工作前必需有一個預真空環(huán)境(1333Pa以下)方能工作。羅茨泵性能與前級泵有親熱關系2l[]。羅茨泵啟動快,允許被抽氣體含有可凝性蒸汽,由于羅茨泵不會將這些氣體壓縮到飽和狀態(tài)。它的缺點是抽含有分子量較小的氣體時,其抽氣速度陡降,由于這種氣體在轉子與定子間的間隙內(nèi)集中比空氣快,返流量較大,故抽速下降。當抽除含有大量水蒸氣的混合氣體,或者類似具有較高蒸汽壓的氣體,且被抽氣體不破壞前級泵油,選擇羅茨泵與旋片泵組成的機組是最經(jīng)濟的[`7]。真空室有效抽速按下式計算:P`為水捕集器工作壓強,取真空室最低工作壓強Q一弓K一一門b其中Q為真空室總放氣量;P:=0.1Pa;K為安全系數(shù)(取K=1.3)[22]。Q=Q。+Qv+Ql式中Q:一真空枯燥工藝過程中產(chǎn)生的氣體量;已被水捕集器捕走,可不予考慮;Q,一真空室及真空元件的放氣量;QI一真空室總漏氣量。Qv=藝qiF*其中,qi一材料單位外表放氣率,其真空材料主要為不銹鋼和紫銅。條件如下:3.8X10ZPa·L/m,·稱紫1x10一,Pa·L/mZ·:;F,為材料在真空室中的外表積:凍干箱內(nèi)外表積:0.5X0.5X6=1.sm,擱板外表積:0.48x0.496x2x4=1.gm,水捕集器外表積:0.43m,紫銅管外外表積:0.6+1.932.53m,真空室內(nèi)不銹鋼的外表積:F:=1.5+1.9+0.43=2.83ffiZ紫銅管的外表積:FZ二.253m真空室內(nèi)放氣量:Qv=qF:+qZFZ=3.8x10一,x2.83+1x103x2.53=0.11Pa·L/s國內(nèi)真空枯燥設備一般規(guī)定允許漏氣率在10一,10Pa·m3/S的范圍內(nèi),取3paPa.m3/s。所以Q。=Q,+Q1.4xlo,Pa.l/sP:為工作壓力,從經(jīng)濟方面考慮,工作壓力最好選在主泵最大抽速四周的壓力值。通常選在高于極限壓力一個數(shù)量級”7]515Pa,所以選150Pa。S。=1.3X1.4X10,/150=12L/S粗算主泵的抽速S,由于選泵前真空室出口用的管道未知,其流導也未知,用閱歷公式::=ks[L/S〕IJ已K:一主泵倒真空室出口的抽速損失系數(shù)。當主泵倒真空室之間承受捕集器時,K:=2~2.52.4。s2.4x`228·8萬選用上海真空泵廠生產(chǎn)的JZJ30型羅茨一旋片式真空泵機組。其主泵為ZJ30ZJB30型,30刀,極限真空SX`0一”pa,入口壓強`500pa,進氣口直徑SOmnI,40咖,前級泵為ZZx4型。水汽冷凝器的構造水汽冷凝器又稱捕水器,是專抽水蒸氣的低溫冷凝器。19133Pa真空度下,1000L。如l13P3a,60kg的凍干機,要求真空系統(tǒng)的抽氣量相當于6XIO?Lh/,無論多大的真空泵都不能抽除如此大量的水蒸氣,大量的水蒸氣必需靠水汽分散器冷凝,只有少量的水蒸氣和不凝性氣體要靠真空泵排出系統(tǒng)。捕水器的安裝位置可分為內(nèi)置式和外置式兩大類。內(nèi)置式的捕水器安裝在凍干箱內(nèi),外置式捕水器安裝在凍干箱外。兩種安裝位置各有利弊。內(nèi)置式構造緊湊,占地面積小,對水蒸氣的流淌阻力小,有利于捕水。但它的熱損失比較大,捕水器冷外表與擱板熱外表之間溫差較大,距離較近,熱屏蔽難保證23[假設布置得不合理,還會消滅熱橋,使擱板外表溫度不均勻,影響凍干產(chǎn)品的質(zhì)量。同時,假設承受周期式捕水,還會消滅因化霜時間而影響生產(chǎn)周期,使設備利用率降低,整個生產(chǎn)效率下降。外置式的優(yōu)缺點與內(nèi)置式剛好相反,且因外置式需單獨制造外殼而使設備制造費用增加。本篇設計承受外置式。水捕集器的構造形式多種多樣,凍干機上常用的水捕集器可分為兩大類,一類是管式換熱,另一類是板式換熱。管式又可分為盤管(或螺旋管、蛇管)式和殼管(列管)式兩種,前者主要用于小型凍干機,后者主要用于大型凍干機。板式又分為平板和圓筒形組合板兩種,后者構造簡單,但冷凝效率高。無論是管式還是板式,小型凍干機多承受立式捕水器,大型凍干機多承受臥式捕水器。制冷系統(tǒng)2.總體方案的選擇通常,醫(yī)用凍干機冷凍枯燥為一體。大型凍干機大都有液壓封蓋系統(tǒng),隔板是活動的,承受間冷間熱式,冷媒與熱媒用同一物質(zhì)。制冷系統(tǒng)是凍干機上提供冷量的裝置.凍干機上需冷量的地方主要是凍干箱和水汽冷凝器。兩者即可以用一套制冷系統(tǒng),也可以用各自獨立的兩套制冷系統(tǒng),一般來說,水汽冷凝器的制冷系統(tǒng)制冷量應大于凍干箱制冷系統(tǒng)的制冷量,溫度低于凍干箱制冷溫度,在兩者使用一套制冷系統(tǒng)時,1251。中型凍干機則承受直冷間熱式,目前我國生產(chǎn)的凍干機多承受這種形式,而且多數(shù)沒有壓蓋裝置。小型試驗用凍干機的構造如圖2l所示,其承受直冷直熱式。冷凍系統(tǒng)可承受一套機組,用閥門掌握凍干箱與水汽冷凝器的走向。真空系統(tǒng)也比較簡潔。試驗型凍干機應當設計取樣裝置和壓蓋機構。食品工業(yè)生產(chǎn)用的凍干機往往比較大,按食品凍干工藝特點