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制冷系统关乎冻干机整体效益

[深冷制冷系统使药品冻干机各方面更加出色]

作者:Balazs Hunek,Alan Cheng,John Capettini 马天良 郑金旺 文章来源:普莱克斯(中国)投资有限公司 上海东富龙科技股份有限公司  点击数:2274  发布时间:2013-05-31
本文将重点介绍深冷制冷系统主要设计思路,并就深冷和机械制冷冻干机在实际操作时的成本因素进行了对比

本文将重点介绍深冷制冷系统主要设计思路,并就深冷和机械制冷冻干机在实际操作时的成本因素进行了对比,还就设备的稳定性、维护要求、操作温度灵活性、制冷速率、温控精度、投资费用、装备占地面积和环保方面的作用等进行了探讨。

冻干机的搁板和冷凝器操作的灵活性、精度及可靠性会影响冻干的效率,并且与大量敏感而高价的制药设备的保护也极其有关。通常的冷却方式是机械制冷或基于液氮的深冷制冷,本文先就低温液氮基本热力学特征进行概述,并探讨从深冷系统获得最大冷量的关键因素;相对于机械制冷,最佳的制冷设计应该在更低的成本控制前提下,使制冷更便捷、灵活且耐久。

获取最大冷量

压力和温度是两个主要的高关联度热力学变量,它们决定饱和流体的状态以及可用冷量。图1便显示了液氮饱和压力与温度的关系。

饱和液氮的冷量以气化潜热形式储存着,即在温度保持不变的情况下,液态变为气态所关联的能量。在一个热交换器里,液氮沸腾转化为气态氮的同时提供了冷量。图2显示了在一定操作压力和温度下对应的潜热,温度、压力越低,可回收的冷量就越多。而显热则是物质温度变化时的相应能量。基于深冷系统的设计,气态受热产生的显热可以回收在同一个换热器里,也可以回收在不同的换热器里。单位质量的制冷剂可以提供的最大制冷量取决于两个因素:热比容和流体的温度升幅。

计算从低温氮中回收到的总冷量,就是将潜热和显热累加起来。图3列举了在近大气压力下操作的,不同排气温度对应的总可用冷量。在一般操作条件下,液体气化产生的潜热和气态升温产生的显热通常各占可回用冷量的50%。在较高的压力下,气化的潜热会降低,如图2所示,因此总可用冷量也就减少了。

不同深冷制冷系统的效用差异

制冷效率:在一定的温度和压力下,根据低温氮的基本热力学性能,可以从流体中获得一定量的可用冷量。即使存在100%效率的深冷制冷系统,可用冷量的多少依然要受热力学限制。液氮经气化和氮气升温产生的可用冷量的回收百分比大小取决于低温冷却系统的设计和操作。大部分现有设计可以将气化产生的绝大部分潜热回收。但是,在设计方面存在的最大差异是对气态产生显热的回收能力。气体的排出温度越接近冷媒的出口温度,低温换热器的效率就越高。现已完成并且证实了一种设计方案,即在一个低温换热器里冷量利用效率达到95%~98%。此效率已经在制冷能力为150kW的商业系统应用中得到体现,操作温度可以低达-80℃。

冻结特征:当制冷剂被用来冷却所有东西的时候,将整个换热系统冻住会是一个严重的问题。在1个大气压力下,液氮的沸点是-195.8℃。如同先前讨论的,几乎所有用于冷冻干燥的冷媒都会在远高于这个温度时冻住。冷媒冻结后就会限制低温换热器的应用。有些设计中,低温换热器运行几个小时后就会冻住。而面对一个较长的冷却过程,由于冰的绝缘性质,就需要多个这样的换热器来运行,以便达到同时将冻住的换热器解冻并持续制冷的效果。

近年来,非冻结式低温换热器的设计获得了进展,该设计不需要在冻结和解冻单元设备之间来回切换,并能够在整个长周期冻干过程中持续制冷。它们既可以用于单一的换热器,也可以用于多级换热器系统。该换热器采用了高压流体喷射器,或者板框式设计。这些设计避开了冷媒的换热面直接与沸腾的液氮接触,而是接触了气态氮,也就是说只用氮气来冷却冷媒。因此,冷媒和气态氮进行换热,也就避开了过低温的液氮。非冻结式单组换热器就是将这个性能整合到一个采用适当设计的特别换热器中。非冻结式多级换热器系统需要多相换热器(有时还要带一个喷射器)来实现这个效果。

操作压力:液氮转化过来的制冷量取决于深冷系统的操作压力。如图1所示,增压会使操作温度升高,这个办法常被用来延迟或避免低温换热器里的冷媒被冻结。图2上可以看到,这种方法导致主下降趋势十分明显。而较高的温度可以减缓冻结问题,因为随着温度和压力的升高,可得到的气化潜热就会明显下降。图4列举了这样一种系统,带有高压流体喷射器技术的液氮/氮气循环系统。1.1MPa下的液氮对应的沸点要比常压下的沸点高出30℃,而气化潜热却减少了至少40kJ/kg,占据相变过程应得冷量的20%。
普莱克斯公司研发出了一种只需低达0.3MPa操作压力的系统。较低的操作压力有利于获得更多的冷量,也就是说可以用更少的液氮消耗来达到同样的制冷效果。

冷媒流速:为延迟许多常规低温换热器的冻结时间,需将冷媒保持较高的流速,而具有高粘度性质的低温冷媒在高流速情况下会产生大量摩擦热,这将增加系统的制冷负担。因此选用具有最低冷媒流速的制冷系统非常重要。

冷凝器制冷:通常冷凝器通过将制冷剂在盘管或平板内直接膨胀来得到冷却(DX冷凝器)。对于机械制冷系统来说,通常的制冷剂是一种碳氢氟化学物质或类似混合物。而深冷系统一般采用直接膨胀液氮(或/和氮气)来冷却冷凝器。图5是一个简易的工艺流程图。这种情形下,在冷凝器里直接膨胀的气体和液体制冷剂,都要形成一个两相态流,而液相和气相制冷剂之间存在巨大换热系数差,这将导致在冷凝器的不同位置造成不等的冷却速率,进而使冷凝器表面的冰型不均匀,冷凝面的利用效能也会有差异。

为避免两相流导致冷凝器的性能不均匀,一种被称为“流体冷凝器”的方案应运而生。一个或多个专用压缩机或低温换热器先冷却一组冷媒,然后由冷媒来冷却“流体冷凝器”(流体冷凝器的缺点可能就是潜在摩擦热的产生)。如果一个低温换热器被使用,低流速的冷媒有助于减少产生摩擦热。因冷凝面变得更均匀而使效率更高,带来的益处通常会盖过略微增加摩擦热所带来的不足。图6是由普莱克斯研发而成的用于冷冻干燥上的制冷系统简易工艺流程图。取代分别用于搁板和冷凝器的制冷系统,普莱克斯推荐带有一个非冻结式低温换热器的独特结构,这个换热器具有不同温度设定值和制冷要求的冷媒环路,较热的环路用来冷却前箱搁板,较冷的用于冷却后箱冷凝器。这种单个换热器的主要优点是:可以大大降低制冷系统的投资成本,同时相较于那些为满足冻干过程需要而配置的,含有热交换系统和液氮直接膨胀式冷凝器的低温制冷系统,液氮消耗量将大大减少。

成本更加低廉 性能更加卓越

表1罗列了冻干机制冷部分主要成本构成,既考虑了投资成本也考虑了操作成本。总之,如果将辅助系统和机械制冷维护所需的成本考虑在一起,液氮制冷装置成本会略低一些。经过多年实际运作后,便会得到这个结论。

低温制冷系统的内在可靠性对于那些高价值和敏感性产品制造商来说十分重要,如蛋白类治疗剂,疫苗等。冷冻干燥生产中最担心的是冻干机的压缩机出现故障,那将导致整批产品的损失。深冷制冷装置不像配有压缩机的机械制冷装置含有动部件。恰当的使用和维护,液氮制冷系统可运行数十年,其间只需极少的维护,很少出现故障。在整个商用冻干机使用期内,因为维护、维修所省下的配件和劳力累计可达数百万美元。另外,基于不同的产品,由于压缩机和电力故障引起的批产品损失有的也高达数百万美元。

另外,一个产品通过制冷和加热系统来达到相应的制冷速率,满足冻结、过程温度控制及与产品特性相关的需求,过程温控曲线会因产品配方的区别而有所不同。制冷系统设计的越灵活,设备的操作性就越强,也将更有利于满足更多新配方的要求。采用液氮/氮气的深冷制冷可以使生产商在更宽广的工艺参数范围内操作,而且在冷却和持续降温时温度可低于-80℃。采用深冷系统,搁板上的最低温度受制于冷媒的热物理性质,而非制冷剂本身。制冷剂在冷凝器里直接膨胀,或带有高性能冷媒的非冻结式换热器可使冷凝器温度低于-100℃。

一台深冷制冷系统只需要几个简单组件组合而成。一般深冷制冷系统的设备阀组只有机械压缩机阀组所需空间的1/2~1/3。氮是一种惰性分子,无毒,不易燃;不会破坏臭氧层或导致全球气候变暖;释放其冷量后回归自然。而大部分碳氢氟制冷剂不但有毒性,而且易燃。因此,冻干机采用液氮/氮气制冷可以节省所需空间,更可以降低运行时产生的噪声,且对环境更友好。

小结

液氮冻干机的发展主要是基于如下需求:

高价值的产品对于设备可靠性需求提高;

对设备操作灵活性要求更高;

含有生物制剂的配方数量持续增加;

产品填充高度和装料量也在增加。

一方面冻干技术及其装备的部分用户刚刚开始认识到液氮冻干机的更多优势,同时仍有不少决策者还不知道液氮/氮气系统所能提供的相关好处,甚至对于用较低成本就可以拥有一台精心设计的液氮/氮气系统,并达到较高的液氮制冷效率仍有疑虑。所有这些特性对制造商来说也是值得考虑的,旨在增加效率、提高操作弹性,在冻干系统的成本控制下进一步增加企业盈利能力。

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