一次干燥过程中的驱动力对冻干工艺的影响
2026-08-06 来源:本站 点击次数:95一次干燥过程中的动力学---驱动力
前言
最近想系统的写一下冻干过程中的动力学和热力学，传热和传质；
开始动笔，却发现文章越写越长，越写越大；
因为这个过程中，有很多的基本概念出现，比如“传导、对流、辐射、驱动力、传质阻力等等”；
但如果你对这些基本概念的理解是有偏差的；
就会导致文章读完，感觉自己学到了；
但应用到实际工作中，总是会被卡在某一个步骤；
或者得到的结果和文章描述的情况不同；
于是你就陷入了“怀疑”或者“自我怀疑”之中；
我在冻干以外的其他领域学习，也常常遇见这种情况；
所以除了冻干，干啥都是半瓶子咣当；
总结自己的失败经验；
我觉得是因为，在其他领域，很多的基本概念我都没理解（或者我以为我理解了，但其实有偏差），一上来就读那种看起来很牛的“长文”；
结果读的时候感觉自己学到很多，实践的时候无一能落地；
为了大家不要重蹈我的覆辙，我暂时放弃了写一篇大文的想法；
改从一个个基本概念来写；
看似不是什么大成就，但都是贴合实际又扎实的干货；
这一次，我们讲：一次干燥过程中的驱动力
一次干燥过程中的驱动力
一次干燥过程中，水蒸汽从冰的升华界面向冷阱内表面（或冰表面）持续流动；
产品升华界面和冷阱表面的冰的饱和蒸汽压之差，就是升华过程中的驱动力(Driving orce);这个驱动力越大，升华越快，一次干燥时间就越短；
示例
如样品升华界面的温度为-18℃，则对应的饱和蒸汽压为1.2mbar(CM)
冷阱表面温度为-80℃，则对应的饱和蒸汽压为5.5*10-4mbar（CM）
Δ=1.2-0.55=1.19945（mbar）这个数值，就是这次工艺样品升华的驱动力；
这个驱动力Δ是一个压力差值；
增大差值，可以通过增加“被减数”或者减少“减数”两种方式来实现；
即：提高样品升华界面的压力（温度）或者降低冷阱冰表面的平衡压力（冷阱冰表面温度）；
这时候，你可能会有一个直观的反应：升高样品温度5℃或者降低冷阱温度5℃；
- 升高样品温度5℃，存在产品塌陷风险；
- 那最好是降低冷阱温度5℃，不难实现且没有额外风险；
如果降低冷阱温度5℃，在对驱动力的影响上可以等同于升高产品温度5℃，那么这个“纠结”确实是有意义的；
但事实是这样吗？
让我们来算一算：
升高产品温度：
| 升华界面温度（℃） | 冰的平衡蒸汽压（mbar） | 驱动力（mbar） | 驱动力增加（mbar） |
| -18 | 1.2 | 1.1995 | 0.8 |
| -13 | 2.0 | 1.9995 |
表一：产品温度升高5℃，冷阱温度保持不变（-80℃）
降低冷阱温度：
| 冷阱温度（℃） | 冰的平衡蒸汽压（mbar） | 驱动力（mbar） | 驱动力增加（mbar） |
| -80 | 5.5x10-4 | 1.19945 | 3.1x10-4 |
| -85 | 2.4x10-4 | 1.19976 |
表二：冷阱温度降低5℃，产品温度保持不变（-18℃）
同样是改变5℃
- 产品温度升高5℃，则驱动力增加0.8mbar
- 冷阱降低5℃，则驱动力增加3.1x10-4mbar（几乎可以忽略的影响）
下面这张图，可以帮助大家更好的理解不同温度范围（区间），平衡蒸汽压的变化：
图一：不同温度范围冰的平衡蒸汽压
- 随着温度降低，对应的平衡蒸汽压也相应降低；
- 但不同温度区间，降低速率不同；
- 在低于-50℃的条件下，平衡蒸汽压随着温度降低的速度，大幅下降；
表一、二的计算数据和图一，解释了一些误区：
- 冷阱温度越低越好；
- 在几摄氏度的区间纠结冷阱温度；
- 要求冷阱温度可控；
如果只看图一，那这个结论几乎就正确了；
但冻干过程中，随着一次干燥的进行，冷阱表面不断捕捉来自前箱的水汽并结冰；
冷阱温度探头显示的数据，通常是冷阱表面不锈钢的数据；
但影响驱动力的，却是冷阱捕冰的冰表面温度所对应的平衡蒸汽压；
研究表明，冻干过程中冰的厚度每增加1厘米，冰表面温度升高4℃
那么，当设备显示的冷阱温度为-50℃，冰层厚度大于2厘米时，冷阱捕集的冰表面温度约为-42℃，即将进入平衡蒸汽压快速上升区间；
在这个区间，如果冷阱温度上升或者冰厚度继续增加，则会导致其对应平衡蒸汽压快速上升；
继而引发Chockflow导致的前箱压力失控。
最后的话
产品升华界面和冷阱表面的冰的饱和蒸汽压之差，是升华过程中的驱动力(Drivingforce);
- 其他条件相同的前提下，这个驱动力越大，升华越快，一次干燥时间就越短；
- 要想增加这个驱动力可以通过提高样品升华界面的压力（温度）或者降低冷阱冰表面的平衡压力来实现；
- 但样品温度升高5℃和冷阱温度降低5℃所带来的驱动力的改变，却有着巨大的区别；
- 真实“冷阱温度”需考虑冷阱结冰的厚度；
实际生产中为了增加升华速度应该：增加给产品提供的热量、腔体压力更低、冷阱温度在一个低温区间。很好的控制这三个参数，可以增加升华的驱动力。
冻干过程中，有很多反直觉的现象；
这时候，我推荐你放下感性，拿出理性；
积累自己的实验数据；
很多用户微信我，给我处方和冻干工艺，问工艺是否合理；
虽然有非常丰富的经验，但我也无法只是通过“看”，就估计出一个合理的工艺；
我们的冻干实验室，进行工艺设计和优化，也都是基于样品关键温度测试数据以及冻干运行数据进行；
冻干工艺运行，是我认为实验室“性价比”最高的服务；
运行一次，解读曲线和数据，才知道是否合理，以及还有多少优化空间。
文章来源——冻干工艺之家公众号 • 星德科 TELSTAR 冻干工艺实验室
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