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新一代实验型真空冷冻干燥机的开发
发布时间:2009-8-24 浏览次数:4459

1    国内目前实验型真空冷冻干燥机的概况

  改革开放以来,真空冷冻干燥机(以下简称冻干机)在我国已得到长足的发展。国内所需冻干机大致经历了3个阶段:20世纪80年代前基本依靠进口,20世纪90年代则是部分进口部分国产,20世纪末、21世纪初国内生产替代进口并开始出口。

    目前,国内冻干机生产商所生产的冻干机已经批量出口至俄罗斯、越南、阿根廷等国,少量出口至日本等发达国家。国内生产的冻干机在性能、质量水平上和欧美生产的冻干机已相差不远,因其相对低廉的价格,所以有较强的竞争力。

  近几年,国产的冻干机所需的关键运动部件都是国际采购的。例如,制冷压缩机一般采用德国、意大利的品牌;真空泵一般采用英国、日本的品牌;控制系统一般采用日本或德国等国的品牌。冻干机所需的干燥箱捕水器等部件均是采用国内企业生产的产品。这样,就使得冻干机既有高可靠性和高性能,又使得冻干机有较好的性价比,从而具备了良好的竞争力。

  上述冻干机,从搁板有效面积1~50 m2已基本形成系列,其关键部件均能通过国际采购方式从国内外购买。习惯上,我们将1~ 10 m2的冻干机称之为中型(生产型)冻干机;10~50 m2冻干机称之为大型(生产型)冻干机。而1 m2以下(如0.4 m2或0.6 m2)冻干机称之为实验型冻干机。

  上述采购和生产情况对实验型冻干机不适用。因为最大的难点是,通过国际采购得到的性能良好的双级低温型制冷压缩机(冻干机需此类压缩机)最小功率为5匹(从5匹到35匹)。5匹制冷压缩机所适应的最小冻干机为1 m2冻干机。如果此种机组应用到1 m2以下的冻干机上,冷量太大,除了耗能太大之外,还会带来一系列的故障。所以,生产1 m2以下实验型冻干机存在购买不到相应机组的问题。至2005年止,国内冷冻干燥机生产厂家很少生产实验型冻干机。如少量生产的一般也采用国产制冷机组,存在匹配不良、性能稳定性较差等问题。

2    新一代实验型真空冷冻干燥机的介绍

  鉴于以上情况,上海远东制药机械总厂在2006年成功开发了新一代实验型冻干机,以改变上述情况,满足用户需要。

  在实验型冻干机6大系统中,机械系统、液压系统、换热系统、真空系统与生产型冻干机基本相同,区别仅在于大小而已。其它两个系统则需作较大改进。

2.1    制冷系统

  制冷系统采用复叠式制冷系统,制冷工质是R22/R23。制冷压缩机采用2台进口单级压缩机,组成复叠制冷方式。其系统如图1所示。

2.2    控制系统

  控制系统采用目前国内较先进的嵌入式控制系统。此系统放弃了以触摸屏控制为主、PC机为辅的单机控制模式,而采用先进的嵌入式系统控制屏加上位机(PC机)进行权限控制,并可通过远程计算机进行监控及设备的维护升级,其组成如下:

  系统的控制系统由嵌入式系统控制器、可编程序控制器、温度调节模块、本地PC计算机、远程PC计算机、打印机、外围继电器、传感器等设备组成。示意如图2所示。

3    开发的关键点

  如上所述,此类冻干机开发有2个难点。

3.1    低温制冷剂的选择

  由于采购不到适应0.4~0.6 m2使用的高性能、高可靠性双级低温制冷压缩机。经反复研究,远东冻干机采用了复叠式低温制冷系统。复叠制冷系统高温级一般采用R22制冷剂,低温级过去一般采用R13制冷剂,此制冷剂对大气层臭氧层有破坏作用,属CFC类(淘汰类)制冷剂。

  因此,采用合适的替代工质成为实验型冻干机开发的关键问题。我们采用了新型的低温制冷剂R23。R23为环保型制冷剂,其性能接近R13,可替代R13,其参数如下:氟利昂23(CHF3),摩尔分子量为70 kg/kmol,标准蒸发温度为-82.1 ℃,临界温度为25.6℃。

    R13与R23的参数相对比见表1。R13作为CFC类物质,在已被国际公约禁止使用的情况下,R23作为R13的替代剂。其臭氧层破坏因子ODP为0.00039,接近零。R23属于低温制冷剂,可用于复叠制冷低温级。
 

工质种类

R13 MPa

R23 MPa

蒸发温度-80℃

冷凝温度-30℃

0.109

0.846

0.114

1.13

临界温度

28.8℃

25.6℃

ODP值

1

0

3.2    嵌入式控制系统的选择与建立

  此次,远东实验型冻干机在原有的基础上对自动化控制系统进行了突破性的开发,放弃了以触摸屏控制为主,PC机为辅的单机控制模式。而采用先进的嵌入式系统控制屏加上位机(PC机)进行权限控制,可通过远程计算机进行监控及设备的维护升级。

     结合PLC组成稳定可靠的DCS(集散控制)系统,该系统拥有稳定可靠的工作性能、强大的扩展功能、友善的用户界面等特点。另外还有以下几个特点:

  (1)技术优势。系统真正达到了双核心,使系统具有较大的功能扩展空间;

  (2)人性化的上位系统。用户和制造商可以实现无障碍交流。制造商可以监控用户所有参数、工艺曲线、历史事件等,为解决问题带来极大的方便。并具有系统升级优势;

  (3)独立的温度控制回路和极高的稳定性。控制精度达0.1%,扰动响应好,采用美国红狮温度控制器,不占用PLC的CPU,很大程度上提高了整个系统的稳定性;

  (4)特殊的专业功能,极大提高了冻干制品的成功率。新的系统可较精确计算出产品共晶点温度,可确保用户制品成功率;

  (5)保存历史资料,便于维护和维修。

4    结语

  上海远东制药机械总厂在实验型冻干机的开发上取得了良好的效果,与原国产的实验型冻干机相比,它不仅有上述两大改进,而且性能更稳定,更先进,从而获得了国内外用户的肯定。现上海远东制药机械总厂实验型真空冷冻干燥机已替代进口并开始批量出口,目前已出口至俄罗斯,越南,阿根廷,日本,美国。

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