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摘 要

真空冷冻干燥技术的概念指的是冷冻欲干燥物料至共晶点以下，随后在较高的真空前提下加热使冻结中的冰晶升华已达到干燥的目的的一种干燥方式。

本文设计了一台实验型冻干机，可直接完成物品从冷冻到加热干燥的全部过程。它由冷冻干燥箱、补水冷凝器、抽真空系统、制冷系统、加热系统以及电子自动控制系统构成。本次设计的主体内容为冷冻干燥箱、捕水器、真空系统和冷却系统。主要完成了冻干箱、捕水器、冷却系统和真空系统的设计及计算。

关键词：冷冻干燥机 冻干箱 捕水器

Design of Lyophilizer for Experiment

Abstract

The concept of vacuum freeze-drying technology refers to the freeze-dried material desire to eutectic point or less, then at high vacuum premise heating frozen in ice sublimation has reached a drying method drying purposes.

This paper designed a experimental freeze dryer, the article can be done directly from the freezer to the entire process of heating and drying. It consists of freeze drying oven, water condenser, vacuum system, cooling system, heating system and electronic automatic control system structure. The design of the main contents freeze drying oven, water trap, vacuum system and cooling system. Mainly to complete the freeze-drying box, water trap, design and calculation of cooling systems and vacuum systems.

Keywords: Freeze dryer， Freeze-drying tank ，Water trap

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 冻干的起源和发展 2

1.3我国冷冻干燥技术的发展历程 3

1.4实验型冷干机在世界上的研究现况 3

1.5本文工作 4

第二章 真空冷冻干燥过程 5

2.1物料的准备 5

2.2物料的预冻 5

2.3升华干燥阶段 5

2.4解析干燥过程 6

2.5后处理 6

第三章 设计计算 7

3.1整体结构 7

3.2冻干箱的设计 7

3.2.1搁板的设计 8

3.2.2搁物架架体的设计 9

3.2.3管道的设计 10

3.2.4箱体强度的计算 10

3.2.5保温层厚度的计算 11

3.2.6观察窗 11

3.2.7真空规 11

3.2.8冻干箱能耗计算 11

3.3真空系统的设计计算 12

3.3.1真空泵放气量的计算 13

3.3.2真空泵的选择 13

3.4捕水器的设计计算 13

3.4.1捕水器的结构 13

3.4.2水汽凝结器所需传热面积的计算 14

3.4.3水汽凝结器所需冷量的计算 14

3.5制冷系统的选择.................... 14

3.6控制系统 14

第四章 结论 15

参考文献 16

第一章 绪论

• 1. 概述

真空冷冻干燥技术是一种相对麻烦的技术，它所包含的知识面非常广，涵盖了自动控制。制冷、真空、传热传质以及生物制品等方面的理论，他的出现标志着交叉科学的成长^[1]。它又是一门实验性很强的技术，在很多食品医药方面的科学实验中有很强的应用。它也是一项高新应用技术，其干燥过程为先将物料及其中的水分冻结，并在真空条件下通过升华冰晶以达到干燥物料的目的，即在低温低压条件下干燥。因其与其他传统热干燥形式的不同，在医疗食品和化工等领域有着很重要应用^[2]。

真空冷冻干燥技术指将湿物料冻结降温至共晶点温度以下，让湿物料中所含的水凝结成冰，随后在一定的真空条件下适当加热使得冰晶升华让其变成水蒸气，再用冷凝水捕捉器把水汽冷凝并捕捉出来，从而使物料干燥的技术。在冷冻干燥的过程中水的形态变化与水汽的转移一直发生在低压低温下。所以，真空冷冻干燥的指导概念就是发生在低压低温环境中的传质与传热^[3]。真空冷冻干燥的流程主要有四个，即冻前预处理，预冻，抽真空与干燥，产品包装。其中最重要的环节是预冻和干燥阶段。干燥分为升华干燥和解析干燥，干燥全程都必须在真空条件下进行^[4]。与传统干燥方法如：自然风干、机械热风干、暴晒、加热蒸发等形式相比，冷冻干燥在相对较低温度环境下发生，对热敏感物质如微生物制品、生物蛋白等而言，可以避免其失活或变性，所以冷冻干燥特别适合在医药和食品方面作为干燥和脱水的手段。由于冷冻干燥在冻结且低温状态下进行，使得物料在冻干期间体积基本不会改变，干燥后的物料结构呈现海绵状，结构疏松而多孔，在遇水后会很快溶解，与冻干前的物料性状差不多一模一样。因为冻干在真空条件中完成，环境中氧含量极低，易氧化物质可以得到保护。冷冻干燥的干燥程度也飞常出色，能排除掉物料中95—99%的水分，干燥后的物料的保质期非常长^[5]。因为以上这些独特的优点，真空冻干在很多行业中有极大地发展前景。

然而冷冻干燥也有许多不足的方面，其工作环境非常苛刻，即要求很高的真空度，工作温度也要达到零下60到80摄氏度，所以该生产工艺的成本和造价也相对较高，产品价格也比较高，现阶段并不适合大规模的生产使用。

真空冻干技术的指导理论是热力学中水的相平衡理论。在一个特定的温度和压力条件中，水可以跳过液态阶段直接在气固体之间相互转换。水的相平衡图（图1-1）展示了水在不同温度压力条件下的存在状态^[6]。

图1-1 水的相平衡图

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