【分享】冻干基础篇|冻干技术最底层原理:物质的相变

物质的相变

   冻干最底层的原理是基于物态的变化也称相变。通常物质有三种形态：固态、液态、气态，这三种形态在相互变化时会吸热或者放热。冻干主要处理水分，还有一些有机溶剂，有机溶剂在冻干过程，有些不是升华过程，例如酒精，酒精会先蒸发。

冻干的过程：第一步将液态制品预冻，就是液态到固态的转化，每克水需要放热80卡，也就是要给它80卡的冷量，第二步，把固态制品中的水分升华成气态，每克需要吸热670卡，第三部就是把升华出来的水分捕获。

                   水的三相图

冻干机是依据上述的底层原理开发出来的。冻干产品除了本身的冻干基础数据及特性外，冻干机的能耗相对大，而且各个阶段对能量的需求差异特别大，合理配置冻干机对产品的成本和运维都有较大的好处。冻干机就是依据上述的数据进行配置。

• 预冻：冻多少分量的水需要多少冷量，再依据所用的包材热传递系数，这样就可以算出穿透共晶区间所需要的冷量，以及板层温度设置多低较为合适。如果给出的冷量不足，那么要冻的液体就不能快速穿过共晶区间结冰，可能会出现分层，晶间应力较大，冻出来的产品就存在质量不一致。我们可以通过产量计算除预冻所需要的冷量，并且选择合适合适的系统配置，按热交换的理想值计算，作为选型的依据。这里需要注意的是包材因素，热传递系数和接触面差异非常大，如果是特殊包材就需要调整设备配置，尤其转产时的配置，必须充分考虑能量传递过程，并且冷热量的迁移传递也是我们做工艺开发时的一个依据。
• 升华：高效率的冻干工艺曲线应该是尽量贴近制品的塌陷温度，这里指的塌陷温度并不是板层的温度，制品内部的温度分布是一个动态过程，冻干机给的热量，水蒸气升华带着的热量。升华效率的影响因素非常多，依据上述的基础数据我们可以计算出整体升华需要多少的热量，但是板层的温度设置就需要去验证冻干机的补水效率了，每个厂家设计的冻干机甚至同一厂家的冻干机，捕水效率都可能不一致，我们可以通过用纯水冻干进行验证。后面会和大家分享其验证方法。影响升华的关键因素之一是真空度的设置，之前有简单介绍过真空度的设置方法，可以去翻阅参考。
• 捕水：真空泵只是维持所需的真空值，而制品中的水分升华成水蒸气再由冷阱捕获，这个过程的梯度动力是冷阱，因此，冷阱才是升华水蒸气的“泵”。我们前面提到过捕水效率由冷阱以及冻干机的结构决定的，冷阱的性能指的是：设计温度下的冷量，这个冷量就是依据上述数据技术而来，在后面设备篇章和大家详细分享。

冻干机的超配不是代表稳定，制冷系统多余冷量很容易造成压缩机的故障。制品的冻干工艺整个流程本身所需的冷量差距极大，如果选择不合适，投入和运维成本浪费是小事，产线的稳定性，才是大生产最重要的风险控制考虑的关键。

基础物理:冻干过程中三态互换

    物质由液态变成气态或固态直接变成气态的过程都称作汽化过程，它可分为蒸发、沸腾和升华三种情况。

    物质升华时要吸收热量，单位质量的液体变成同温度的气体所吸收的热量叫做汽化热。因为也是蒸发时所吸收的热量，所以也叫做蒸发热。蒸发热随压力和温度的降低而增加，随压力和温度的升高而降低。单位质量的固体升华成同温度的气体所吸收的热量叫做升华热。

    将蒸汽冷却或与压缩同时进行，使蒸汽转变为液体的过程叫做液化（温度和压力都要小于该气体的临界数值），这一过程是放热过程，单位质量的蒸汽变成同温度的液体所放出的热量叫做冷凝热。冷凝时的温度叫做冷凝温度。当蒸汽遇到比该蒸汽的凝固温度低的物体时，则蒸汽会直接凝固成固体而附在低温物体的表面，这一过程叫做凝华。凝华过程是放热过程，它是升华的逆过程。

    气体和蒸汽都是物质的气体状态，物质的临界温度可以作为判断气态物质是气体还是蒸汽的标准。当气态物质所处的温度高于该气态物质的临界温度时，该物质的气态称气体；而气态物质所处的温度低于该气态物质的临界温度时，该物质的气态称蒸汽。

冻干机除了产品在相变，内部的制冷系统也是相变过程，计算选型原料都是一致的。

下面表格是冻干机用到的物质参数，有兴趣朋友可以去探讨冻干技术的相关理论参数的计算。

表 1-1 一些物质的熔点、沸点、熔化热、汽化热

表 1-2 制冷剂的临界温度和临界温压力