《冷冻干燥技术》推荐教材与补充讲义.pdf

《《冷冻干燥技术》推荐教材与补充讲义.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《冷冻干燥技术》推荐教材与补充讲义.pdf（35页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 冷冻干燥原理 前 言 冷冻真空干燥也叫干燥。升华干燥或简称冻干。它是干燥方法之一，目的 是为了贮存物品。 物品之所以会损坏、腐烂、变质，主要是由于外因和内因二个因素引起， 外因者，空气、水、温度、生物等的作用；内因者，主要是生物物质自身的新陈 代谢作用。如果能使外因和内因的作用减小到最低程度，则能达到物品在一定时 间内保持不变的目的。 干燥法就是驱除物品内部所含的水份，因为水份是一切生物生长的必要条 件之一。生物体水份减少到一定程度，则生物不易或不能生长繁殖。因而能较长 时间的贮藏保存；另外，当有水份存在时，一些酸碱溶解其内还会发生一些化学 作用而使物品变质。 干燥的方法很多，如晒干、烘干、

2、煮干、晾干、喷雾干燥、真空干燥、冷 冻干燥等。其中唯有冷冻干燥法是保存有生命生物物质的最理想方法。 冷冻干燥之后的产品，进行真空或氮气封口，以隔绝空气特别是氧气，再 在低温下存放，则水份、空气、温度三个因素被控制，使产品能在较长的时间内 得到有效的保存。 冷冻干燥技术是在第 2 次世界大战期间，因大量需要血浆和青霉素而发展 起来的。现在已广泛应用于化学、制药工业、食品工业和科学研究等方面，特别 是应用于含有生物活性物质的生物药品方面最为普遍。 我国在解放前就已使用冷冻干燥法制造疫苗，但数量极少，仅应用于人医， 解放后我国的冷冻干燥事业得到迅速发展。1952 年起开始在兽医界应用，并在 国内制造

3、了一批大、中型的冷冻干燥机，现在全国所有的省、市自治区均有各种 不同型号的冷冻干燥机。 在兽医方面，主要用于各种兽用微生物的贮存，各种兽医生物药品的制造， 一切用于猪、牛、马、鸡、鸭、鹅、兔、狗的各种预防疾病的药品均离不开冷冻 干燥机。 冷冻干燥属于边缘科学，它涉及到物理、化学、生物学等知识，包括制冷、 真空、电工、仪表等技术。因此也是一门综合性的专业科学技术。 第一章 基础知识 第一节 物态的变化 我们生活在物质世界之中，在我们周围的一切，如空气、水、铁等都是物 质， 一切物质均在不断地发生变化。 一种最常见的物质存在形态有三种： 即气态、 液态和固态。即使同一种物质也有三种形态。例如水，在

4、摄氏零度时结成冰变成 固态，而在摄氏一百度时则变成蒸汽而成气态，在 0100之间则是液态，可 见在一定的条件下，物质的形态能够互相发生转化。 物质是由分子组成的，在物质的三种形态变化中，物质的本质并没有发生 变化。物质的气态、液态和固态三者的主要区别在于物质分子间的距离和作用力 的大小不同，这些仅是程度上的差别，本质上是相同的。气态物质分子间的距离 较大。分子间的相互作用力较小，以致气态物质不能单独地维持自己的形态和体 结，总是充满在容纳它的物体之中，液态物质分子间的距离较气态小，作用力较 大。因此液态物质只能单独地保持其体积而不能保持起形状。固态物质分子间的 距离小，作用力大，因此固态物质能

5、保持自己的独立形状和体积。 物质在发生形态的变化时，伴随着热量的变化。如冰熔化要加热，水变成 汽也要加热，说明它们吸收热量；相反，水结成冰要移去热量，汽变成水也要移 去热量，说明它们放出热量。一般地说，从固态变成液态，液态变成气态，固态 直接变成气态的过程是从分子排列密，相互作用力大的状态，变为分子排列疏， 作用力小的状态； 这一过程要从外界吸取热量， 而相反的过程则向外界传递热量。 如图一所示。 由固体变成液体的过程叫做熔化。将固体加热，当升高到一定的温度时固 体即变成液体。固体物质熔化时的这个温度称为熔点，固体熔化时内能增加，因 此需要从外界吸收热量，一些物质的熔点见表一。 表一表一 一些

6、物质的熔点一些物质的熔点() 物质物质 熔点熔点 物质物质 熔点熔点 冰冰 0 玻璃玻璃 460800 氨氨 -77.7 铜铜 1083 F-12 -155 铝铝 658 F-22 -160 钢铁钢铁 1300-1400 水银水银 -39 锡锡 232 酒精酒精 -114 钨钨 3410 单位质量的物质，由固体变为同温度的液体所需要吸收的热量叫做该物质 的熔化热。 物质的熔点和熔化热随压强的变化而变化。 一些物质的熔化热见表二。 单位为卡/克。 表二 一些物质的熔化热表二 一些物质的熔化热(卡卡/克克) 物质物质 熔化热熔化热 物质物质 熔化热熔化热 冰冰 79.4 锡锡 14.5 水银水银

7、2.8 铝铝 92.4 氯化钠氯化钠 123.5 铜铜 51 由液体变为固体的过程叫做凝固。它是熔化的逆过程。物体由液体变为固 体时要放出热量，放出的热量与该物质的熔化热相等。凝固是在与熔化相同的温 度下进行的，所以同一物质的熔点和凝固点是一样的。 物质由液态变成气态或固态直接变气态的过程都称为汽化过程，它可分为 蒸发、沸腾和升华三种情况。 蒸发是指在任何温度下(只要低于临界温度)液体表面的汽化过程。 在制冷技 术中。 “蒸发”通常代表液体的沸腾过程。 将液体加热到一定的温度，液体逐渐变成蒸汽；当蒸汽的形成不仅来自液 体表面，而且来自液体内部，形成许多小汽泡上升至液面上方空间时称为沸腾。 也就

8、是温度升高到液体的蒸汽压力与周围的空间压力相等时，液体即开始沸腾。 液体开始沸腾时的温度叫做沸点。 沸腾也是同时发生在液体内部和表面的汽化现 象。一些物质的沸点见表三。 表三表三 一些物质的沸点一些物质的沸点() 物质物质 沸点沸点 物质物质 沸点沸点 铁铁 2840 氮氮 -196 铅铅 1755 氧氧 -183 水银水银 357 氨氨 -33.4 水水 100 F-12 -29.8 酒精酒精 78 F-22 -40.8 某固体不经过液态而直接变成汽化现象叫做升华。升华是固体的直接汽化 过程。容易升华到固体叫挥发性固体。物质在汽化时要吸收热量，单位质量的液 体变成同温度的汽体所吸收的热量叫做

9、汽化热，因为也是蒸发时所吸收的热量， 所以也可叫做蒸发热。熔化热和汽化热都叫做物体的潜热，一些物质的汽化热见 表四，单位为卡/克。 将蒸汽冷却或与压缩空气同时进行，使蒸汽转变为液体的过称叫做液化。 （温度和压力都要在小于临界值的条件下） 。单位重量的蒸汽变成同温度的液体 所移去的热量称为冷凝热。冷凝时的温度叫做冷凝温度，冷凝温度在冷凝过程中 保持不变。它与冷凝蒸汽的压力有关。 表四 一些物质的汽化热表四 一些物质的汽化热(卡卡/克克) 物质物质 汽化热汽化热 物质物质 汽化热汽化热 水水 536.5 氨氨 327.3 酒精酒精 216.4 F-12 40 水水银银 68.7 F-22 56 当

10、蒸汽遇到比该蒸汽物质的凝固温度低的物体时，则蒸汽不经过液体而能 直接凝固成固体而附在低温物体的表面，叫做凝华。例如水蒸汽遇到比水的冰点 低的物体时，它就在低温物体的表面结成冰霜，它实际上是升华的逆过程，这一 过程显然是要放出热量的。这一现象在制冷和冷冻干燥中是经常遇到的。 第二节 热和温度 热是物质运动的形式之一。任何物质都是有许许多多的分子所组成，而这 些分子都在不停地作无规则的运动，我们称之热运动，而这些无规则运动的分子 所具有的能就叫做热能。 热能的大小用温度来表示。温度越高，分子运动越剧烈。物体的热能也就 越多；温度低，分子运动缓慢，物体的热能就少。温度就是表示物体热和冷的程 度，热和

11、冷是相对的。它们都是表示物体所含热能的多少或温度的高低。增加物 体的热能叫做加热；移去物体的热能叫做制冷。 温度常用摄氏和华氏二种温标来表示。 摄氏温标： 在标准大气压下， 以水的冰点为 0， 水的沸点为 100， 在 0 和 100 之间分成 100 等分。 每一等分叫 1 度。 这种温标就叫做摄氏温标， 用符号表示。 华氏温标：在大气压下，以水的冰点为 32，水的沸点为 212，在 32 和 212 之间分成 180 等分，每一等分叫 1 度，这种温标就叫做华氏温标，用符号F 表 示。 华氏和摄氏和用下面的公式进行换算： 华氏换摄氏：5/9(F-32) 另外还有一种温标叫开氏温标，以摄氏零

12、下 273.15 度作为零度，开氏温标 符号用号K 表示。开氏温标也叫绝对温标；开氏零度即摄氏 273.15 也叫绝对 零度。绝对零度是达不到的。 温度只能表示物体冷热的程度，温度高或者温度低，不能从数量上来表示 物体热能的多少。因此就有热量的概念：物体吸收或放出热能的多少叫做热量。 计算热量的单位是卡或千卡，千卡又叫大卡，1 大卡1000 卡。卡的单位是这样 规定的：把 1 克水的温度升高或降低 1所吸收或放出的热量规定为 1 卡。 还有一种热量单位叫做英热单位，它是这样规定的：1 磅水升高 1F 所需 的热量称为 1 个英热单位(B、T、U)，I 英热单位252 卡。 质量相同的不同物质温

13、度升高 1时所需的热量是不相同的， 我们把单位质 量的某种物质温度升高或降低 1时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比 热。单位是卡/克度，读作每克每度卡，一些物质的比热见表五。 表五 一些物质的比热表五 一些物质的比热(卡卡/克度克度) 物质物质 比热比热 物质物质 比热比热 水水 1 铜铜 0.091 冰冰 0.43 钢铁钢铁 0.11 水蒸汽水蒸汽 0.45 铝铝 0.21 F-12 0.225 水银水银 0.033 氨氨 0.52 玻璃玻璃 0.20 空气空气 0.24 酒精酒精 0.58 热量能通过传导、对流、辐射三种方式进行传递。 传导：在受热不均匀的物体中，热从高温处依靠物体的分

14、子逐渐传到低温 处的现象，称为热的传导。这种方式的热交换一直进行到整个物体的温度相等为 止。传导在固体、液体和气体之间均能发生，传导作用必须要使物体相互接触才 能完成。 一切金属是传导的良导体，非金属是热的不良导体。物质传导热的能力可 用导热系数来表示。 导热系数是热的传导作用在 1 平方厘米截面上一秒钟内当温 差为 1时通过长度 1 厘米的热量卡数。单位卡/厘米度秒，一些物质的导热 系数见表六。 表六 一些物质的导热系数表六 一些物质的导热系数(卡卡/厘米度秒厘米度秒) 物质物质 导热系数导热系数 物质物质 导热系数导热系数 银银 0.97 玻璃玻璃 0.00140.0018 铜铜 0.92

15、 水水 0.00142 铝铝 0.50 冰冰 0.0055 钨钨 0.48 空气空气 0.000057 铁铁 0.16 棉花棉花 0.00014 对流：在液体或气体(包括蒸汽)中，热量靠物质的流动从一部分向另一部分 转移的传递方式称为对流。含热的液体或气体，体积因热而膨胀，密度减少，于 是因重量减轻而上升，其周围冷的部份就补充原来地位，形成了对流，热的对流 只发生在液体或气体中，而且必与传导同时发生。 辐射：高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量 的传递方式叫做辐射、热射与光相似，它以直线方式进行，可以在真空中传播； 辐射可以通过空气和玻璃等透明介质，而这些透明介质本身吸热

16、极少，表面黑、 粗糙的物体善于吸收热；表面白亮光滑的物体不善于吸收热和辐射热，但善于反 射热。 事实上，热量传递的三种方式并非单独进行，而是一种方式伴随着另一种 方式同时进行，或者是三种方式同时进行的。 为了衡量物体温度高低的程度，就需要对温度进行测量，温度的测量是利 用温度计来完成的。 常见的温度计有液体温度计、 压力式温度计、 双金属温度计、 热电偶、热电阻和热敏电阻等。 液体温度计是利用了某些液体的热胀冷缩原理制成的，它封灌在一根细长 的玻璃管中， 一端有一个膨大部分， 以容纳工作液体。 常用的液体有酒精、 煤油、 水银等。 压力式温度计是利用了二种不同金属的不同热膨胀系数原理制成的，双

17、金 属片卷成螺旋形。当温度变化时，引起双金属片的运动，从而带动指针指示出了 温度。 热电偶是利用不同的金属丝一端焊接在一起时，在它们的二个游离端会随 温度的变化而产生不同的电动势，测量这个电动势的大小测量了温度的高低。 热电阻是利用了金属丝的电阻温度系数原理制成的，一定长度的金属丝， 当温度升高时电阻增加，温度降低时电阻下降，利用慧斯顿电桥能测知温度的高 低。 热电阻一般用铂丝制作，因此又称铂热电阻。 利用铂电阻测量温度的原理如图二所示，在电桥的AB端接入电源，CD端接 上电流表，假设Rt处于 0。 其阻值为 100， 调整电阻R在 100， 这时有于RtR， 电桥处于平衡状态， CD二端无电

18、压，电流表无读数。当热电阻Rt处的温度增加或减少，则Rt的电阻 也增大或减少，于是RtR1，电桥不平衡，CD二端有电压输出，电流表有读数， 这个读数就反印了温度的变化，刻上温度便成为温度计。 实际的测量电路比图二复杂得多，把输出的信号通过适当转换可以直接由 数字显示器进行温度的直接显示，改变电路的设计可以进行温度的调节和控制。 热敏电阻是利用了一种半导体材料，其导电性能随温度变化而变化，其测 量温度的原理大致同热电阻相同。 第三节 气体和蒸汽 气体和蒸汽都是物质的气态状态，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， 当温度高于该物质的临界温度时， 该物质的气态称气体； 而温度低

19、于该物质的临界温度时该物质的气态称蒸汽。 为此，必须介绍一下物质的临界温度和临界压力。气体的液化温度是与压 力有关的，气体的压力越小时，则其液化温度就越低；随着压力的增加，气体的 液化温度也升高，对于某一种物质的气体，有一个固定的温度值，超过这个温度 时，物质只能处于气态，无论加多大的压力也不能使其压缩成液体，这个温度就 称为该物质气体的临界温度。在临界温度时使该气体液化所需要的最小压力，称 为该物质气体的临界压力。一些物质的临界温度和临界压力见表七。 表七 一些物质的临界温度和临界压力表七 一些物质的临界温度和临界压力 物质物质 临界温度临界温度 临界压力临界压力(绝对大气压绝对大气压) 氧

20、氧 132.9 112.3 二氧化碳二氧化碳 31 72.3 氮氮 -147.13 33.49 氧氧 -118.82 49.71 水蒸汽水蒸汽 374 58.22 F-12 111.5 40.86 F-22 96 50.3 一般的室温大约在 1525范围之内，氧气、氮气等临界温度远比室温低， 因此可以称它们为“永久”气体或不凝集气体；二氧化碳的临界温度接近室温， 所以不能当永久气体；水蒸汽的临界温度超过室温，因此称蒸汽。但气体和蒸汽 也是相对的，它决定于温度。当温度高于水的临界温度时，水蒸汽也可以称为气 体了。 任何液体物质，当在一密闭容器内蒸发时，达到一定的程度后，液体的液 化与蒸汽的液化就

21、达到平衡状态。这时密闭容器内的蒸汽称谓饱和蒸汽；密闭容 器内的蒸汽压强称谓饱和蒸汽压。 饱和蒸汽压随温度升高而增大，随温度的降低而减小，对于同一蒸汽，在 不同的温度有不同的饱和蒸汽压。如果饱和蒸汽压继续得到热量，则温度将比饱 和时的温度高，但压力仍保持原饱和温温度时相应压力值，这样的蒸汽称超热蒸 汽。 如果在某一密封系统内，有一个蒸汽源，而该系统内各部份有不同的温度 差时，则该密闭系统的饱和蒸汽压由最低的温度决定，即最低温度所对应的饱和 蒸汽压。 平常的大气中含有水蒸汽，是湿空气，它是干空气与水蒸汽的混合物。在 一定的温度下， 空气中水蒸汽的含量有一定限度， 超过这个限度时就会出现雾状， 空气

22、湿度较低时，水蒸汽的含量较少；温度较高时，水蒸汽的含量较多。 单位体积的空气中所含水蒸汽的重量， 叫做空气的绝对湿度。 单位是克/米3。 空气中所含的水蒸汽重量与同温度下的饱和空气中所含的水蒸气的重量的比叫 空气的相对湿度，用%表示。 表八 被水蒸汽所饱和的空气内水蒸汽含量 表八 被水蒸汽所饱和的空气内水蒸汽含量 760mmHg时时(克克/米米3) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -10 2.15 1.98 1.81 1.68 1.52 1.40 1.28 1.18 1.08 0.98 -0 4.84 4.47 4.18 3.81 3.52 3.24 2.99 2.75 2.54 2.

23、34 -0 4.84 5.18 5.54 5.92 6.33 6.76 7.22 7.70 8.22 8.76 10 9.38 9.94 10.5 11.5 11.9 12.7 13.5 14.3 15.2 16.14 20 17.12 18.14 19.22 20.3621.5522.8024.1125.49 26.93 28.25 30 30.04 31.70 33.45 35.2837.1939.1941.2843.47 45.75 48.14 当空气中所含的达到完全饱和状态（即相对湿度为 100%）这时温度称为露 点。 温度低于露点时， 水蒸汽就结成雾状水滴。 并呈露水凝附在一些物体的

24、表面， 当温度低于 0时，则呈冰霜凝附在一些物体的表面。 表八是被水蒸汽所包含的空气内水蒸汽的含量，例如 15时横向查 10， 纵向查 5，为 12.71 克/米3;-8时，横向查-0，纵向查 8，为 2.54 克/米3。 第四节 压强与真空 物体放在地面，由于地球的引力作用，对地面有一个力的作用，我们把压 在某一物体表面上的力称为压力，而单位面积上所受到的力称为压强。压力的单 位是克或公斤（千克） ，压强的单位是克/厘米 或公斤/厘米。 液体和气体同样对处于其中的一切物体产生压强。地球的表面包围着一层 厚厚的空气，叫做大气层，这个大气层所产生的压强叫做大气压。 固体的压强只产生于重力方向，液

25、体的压强产生于液体相接触的任何一面， 而气体的压强产生于所有的方向上， 所以气体的压强亦可以解释为气体分子不停 地运动而撞击容器内壁的结果。 大气压力的大小可以通过实验来测得，那一根大约米长，一端封闭的细 玻璃管，里面灌满水银，把它倒立在水银槽中，便可见到水银柱的下降现象，降 到一定的高度便维持不动，在玻璃管上方形成一个没有空气的空间（真空） ，测 量水银柱的高度约为 760 毫米(如图三所示)。 实验结果表明 760 毫米高的水银柱所产生的压强正与大气压强相平衡，也 就是 760 毫米高的水银柱压力就等于大气压力。 760 毫米高的水银柱压强有多大可以计算出来： 水银柱的比重为 13.6 克

26、/厘米3。 压强比重高度 13.6 克/厘米76 厘米1033.6 克/厘米2 也就是大气压的压强为1033.6克/厘米2即1.0336公斤/厘米2。 为了计算方便取1公 斤厘米 2 作为大气压强单位叫做 1 个大气压。如果用毫米水银柱(mmHg)做压强单位， 那么显然： 1 大气压760mmHg 大气压与高度有关，离海平面越高，大气压越低。在离海平面 2000 米的高 度内，平均每升高 12 米，水银柱约下降 1 毫米。 在标准大气压下，每立方厘米体积中气体的分子数为 2.71019个。真空是 指低于体个大气压的气体状态，与大气状态相比较，单位体积中气体的分子数目 较少因此真空并不是空无一物

27、，完全没有任何物质的空间称为“绝对真空” ，绝 对真空是假想的，它是永远也达不到的。 真空高低的程度叫真空度。真空度用气体压强的大小来表示。压强越低， 表示真空度越高；反之，压强越高，表示真空越低。若压强高到 760 毫米水银柱 即一个大气压就是没有了真空了。若压强继续升高，就产生了正压。因此，低于 大气压强又可称负压。 压强有三种表示方法：绝对压力、表压力和真空度。绝对压力表示作用于 单位面积上的压力的绝对值，它以绝对零点为起点。表压力，表示比大气压高多 少数值，它以大气压力为起点，即在大气压时，表压力为零。真空度表示比大气 压低多少数值，当用绝对压力表示时，以绝对零压为起点；当用表压力表示

28、时， 它以大气压为起点，如图四所示。 绝对压力和表压力一般用公斤/厘米 2 来表示，英制用磅/寸 2 来表示，1 公 斤/厘米 214.7 磅/寸 2。真空度常用毫米水银柱来表示。1 毫米水银柱叫 1 托， 因 1 大气压为 760 毫米水银柱，因此 1 托1/760 大气压。1 毫米水银柱有时还 大，因 1 毫米(mm)1000 微米()，于是用微米水银柱(Hg)来表示真空度， 1mmHg1000Hg。当压强高于 1mmHg 是真空度常用百分数来表示。 真空度百分数，压力表真空与绝对压强的对照表见表九 表九 真空度百分数、压力表真空度与绝对压强对照表表九 真空度百分数、压力表真空度与绝对压强

29、对照表 真空度真空真空度真空 绝对压强绝对压强 压力表真空真空度绝对压强压力表压力表真空真空度绝对压强压力表 (%) (mmHg) (mmHg) (%) (mmHg)(mmHg) 0 760 0 80 114 646 10 684 76 90 76 684 20 608 152 95 38 722 30 532 228 96 30 730 40 456 304 97 25 735 50 380 380 98 15 745 60 364 456 99 8 752 70 228 532 99.5 4 756 80 152 608 100 0 760 便介绍一下数学上的表示方式：1001010102

30、。因此 1001102 0-3 就是 51/10000.005 又 1 托 1000 位面积所受的 力如 ”一个专 用名 顺 1000101010103，因此 10001103 0.11/1010-1，因此 0.1110-1 0.011100-2，因此 0.01110-2 0.0011/100010-3，因此 0.0011 例如某台真空泵的极限真空为 510-3， Hg。所以 510-3就是 0. 00510005Hg(微米汞柱)。 现在国际上已把真空单位“托”取消，压强的单位应该是单 公斤/厘米2、牛顿/厘米2等。因此用托作为真空单位是不合理的。 现在把“牛顿/米2”这样的压强单位来计量真空

31、度，给“牛顿/米2 字，叫做帕斯卡(Pascal，法国数学家、物理学家)简称“帕” ；符号Pa，压强 的换算见表十。 表十 压强单位的换算表十 压强单位的换算 巴巴 毫巴毫巴 帕斯卡帕斯卡 大气压大气压 托托 单位单位 bar mbar Pa atm torr 1bar 1 1031050.987 0.75103 1mbar 110-31 1020.98710-30.75 1Pa 10-510-21 0.98710-50.7510-2 1atm 1.013 1.0131031.0131051 0.76103 1torr 1.33310-31.333 1.3331021.31610-31 第五节

32、 真空技术基础 气体的特点是无一定形状，也无一定体积，气体能无限地膨胀而完全充满 于任何体积的容器中；气体又能均匀地混合，数种不同种类的气体，不管其比例 如何都能混合成一均匀状态。 物质的气体状态由压强、体积和温度三个因素来决定。当气体压缩时，压 强增加，体积缩小，温度升高；当气体膨胀时，压强降低，体积增大，温度降低。 可以用气体的基本定律来概括气体状态变化的一些规律。 一、波义耳马略特定律：一定质量的气体，在恒温下，气体的压强与其 体积的乘积为常数。这定律说明当温度因素不变时，压强与体积的关系，可以表 示为： P1V1P2V2常数 P1，V1表示变化前气体的压强和体积， P2，V2表示变换后

33、气体的压强和体积。 二、盖吕萨克定率：一定质量的气体，在恒压下，气体的体积与其绝对 温度成正比。这定律说明当压力因素不变时，体积与温度的关系。可以表示为： V常数T V 表示气体的体积。 T 表示绝对温度， 三、道尔顿定律：不相互起化学作用的混合气体的总压强等于各气体分压 强的总和，这定律表明几种气体在一定时的压强关系，可一表示为： PP1P2+Pn P 表示混合气体的总压强。 P1Pn表示各气体的分压强。 四、阿佛加德罗定律：等体积的任何种类气体，在同温度和同压强下均有 相同的分子数。例如每立方厘米的气体在 1 大气压和 20的情况下分子数为： 2.691010个。 气体的基律适用于对于定适

34、用 气体分子均自由程体分子的一个参体的压强以 理解为气体分子对容器壁碰撞的结果。事实气体分子运碰撞 我们把气体分子二次碰撞间经历的平均距离叫 做分子间均自由程 均自由体强大，压强时分子 撞平小；，压强小时分子间比较不容易碰撞，因而平均 自由程就大，常温下空气分子的几个参数量见表十一。 在常温和常压下，由于空气分子的平均自由程很小，从液体蒸发出来的分 子或从固体升华出来的分子， 表面， 因此蒸发和升华的速度很慢。 随着真空度的升高， 气体分子变得越来越稀， 分子 况下，由于气体的分子较少，分子间的碰撞很少 发生 真空 本定气体，蒸汽不一。 的平也是气运动数，气也可 上动不仅容器壁，而 且还发生气

35、体分子间的互相碰撞。 气体的平。 平程与气的浓度、压有关，浓度大间很容易碰 ，因而均自由程就浓度小 很容易与气体分子碰撞而返回到原来液体或固体的 的平均自由程逐渐增大，于是分子间的碰撞将较少发生，这时液体的蒸发速 度和固体的升华速度将迅速增加，大量的分子将会从蒸气源飞离出来，甚至形成 蒸汽流。另外，在真空较高的情 ，所以气体的对流就不可能形成，因此在真空度较高的情况下，依靠对流的 热量传递方式将减少甚至消失； 依靠气体分子的热传导也将减少甚至消失。 这时， 系统内依靠固体的热传导和辐射仍然存在。 表十一 常温下空气分子的几个参量表十一 常温下空气分子的几个参量 气体压强平均自由程气体密度气体压

36、强平均自由程气体密度 每秒碰撞每平方厘米每秒碰撞每平方厘米 （托）（托） （厘米）（厘米） （个（个/厘米厘米3）（个）（个/厘米厘米2秒）秒） 760 10-51.01310331023 10 710-42.510193.51021 10-37 3.310173.51017 10-671033.310133.51014 10-971063.31073.51011 10-14710113.31023.5106 10-17710140.33 3.5103 实验指出，当真空达到几十微米汞柱数值时，气体分子的热传导和对流可 以忽略不计， 内流过时，它总是受到一定的阻碍，在压强较高时它主要消 耗于气流

37、各层间的内摩擦；在压强较低时它消耗于气体分子与四壁的碰撞过程。 当管道粗、短、直时则流动的阻碍就较小。 这时热量的传递依靠固体的传导和辐射进行，而真空度上升到几百 微米汞柱数值时，通过气体分子的热传导和对流立即变得显著起来。 当气体在导管 第六节 真空的获得和测量 -11 真空范围。 冻干机的真空系统是由冻干箱、冷凝器、真空管道、真空阀门和真空泵等 组成。冻干时使用的真空度范围大约是 510-1110-3托之间(5001Hg)，要 在半小时左右达到要求的真空度。 真空度是指压力低于 760 托的气体状态，它的范围从 760 托到 110托甚 至更低， 宇宙空间的真空度为 1.910-18真空可

38、大致划分为如表十二所示的范围。 这样宽广的真空范围不可能用一种方法来达到， 而是用不同的方法来达到不同的 获得真空的基本方法有三种：即使用抽气机(即真空泵)抽吸；用特殊 的吸气剂吸气；用冷凝器捕获气体。它们的运用压强范围见图五。 表十二 真空范围的划分表十二 真空范围的划分 真空区域真空区域 压强范围压强范围(mmHg) 粗真空粗真空 76010 低真空低真空 1010-2 中真空中真空 10 10 -2-4 高真空高真空 10 10 -4-7 超高真空超高真空 10-7以下 真空泵种类很多，有水环式真空泵、往复式真空泵、水蒸汽喷射泵、油封 式机械泵、。真空和 中真空的样的采真空增压泵来 、排

39、气压强、抽气速率等。 限真空又叫极限压强，是真空泵可以达到的最低压强或最高真空度，一 、机械增压泵、油增压泵油扩散泵等冷冻干燥使用的属于低 范围，这范围一般用油封式机械泵、机械增压泵或 达到。 真空泵的主要参数有极限真空、起始压强 极 般在泵头直接测量。 起始压强是真空泵能正常工作的进气口压强，油封式机械泵能在大气压下 工作，而机械增压泵和油增压泵需要有一个预备真空才能工作，油封式机械泵作 为抽预备真空用。 压 气体分压强的总和，即 760标准大气压中 各种气体压强见表十三 标准大气中气体的成分和压强标准大气中气体的成分和压强 百分比（百分比（%）（托）（托） 排气压强是真空泵在排气口的最大反

40、压强，当反强高的真空泵就不能正 常工作。 抽气速率是真空泵在一定进气口压强下，单位时间内所抽的气体容量，以 升/秒或者立方米/小时作为单位，抽气速率随进口压强的降低而减少，到极限真 空时抽气速率为零。 压强有全压和分压之分，全压强是指各种气体分压强的总和，分压强是指 某一气体或某一部份的压强，空气的压强是指氮气、氧气、二氧化碳和各种惰性 托。它并不包括水蒸汽的分压强在内。 。 表十三表十三 气体名称气体名称分压强分压强 氮气氮气 78.09 593.5 氧气氧气 20.95 159.0 氩氩 0.9 6.84 二氧化碳二氧化碳 0.03 0.23 氖氖 0.0015 0.011 氦氦 0.00

41、05 0.0037 氪氪 0.0001 0.00076 氙氙 0.00001 0.000076 氡氡 微量 水蒸气水蒸气 不定 约 7 由于真空的范围很宽广，因此在进行真空度测量时不可能采用一种仪表全 而是不同的范围采用不同的测量真空的仪表。有：指针式真空仪表 有：指针式真空计、U 形真空计、压缩式真空计、热真空计，磁控放电真空计， 电离真空计等。它们的适用见图六。 部都能测量， 冷冻干燥常用压计 在冻干机的真空系统内，存在着水蒸汽，水蒸汽压强的大小才 能反映出来冻干过程中升华速度和水蒸汽在冷凝器内的凝结情况。 因此冻干机的 真空系统应测量其全压，仅仅测量空气的分压强不能反映出真实情况。 压缩

42、式真空计空计，水银作为工 毒害作用，因此使用要小心谨慎用时，应把橡皮管封死，使水银与系 统隔开。水银在真空统中还会蒸冻干产冻干燥的产品大都是 直接或间接用于人体的， 因此现在许多国家已明确规定冷冻干燥严禁使用水银压 缩式真空计。 另外，压缩式真空计是根据波意尔马略特定律的原理制作的。由于水蒸 汽不遵守波马定律，在冷冻干燥中水蒸汽 的分压强是一个很重要的参数，所以压缩式真空计也就不适用于干燥中使用。 是基于气体的热传导决定于压强这一关系。 当加热着的电阻丝周围的气体压强改 当压强低时，热量耗散量少，电阻丝的温 度增高；电阻增大；相反，当压强增高时，热量耗散量多，电阻丝的温度降低， 电阻减少。 测

43、量电阻的变化， 便能反映出压强的大小。 因此也称作电阻式真空计。 工作的，稀薄空气的放电颜色能粗略地估计出真空度的大小，它只适用于玻璃 容器，能在容器外边测量容器内部的真空度。 的真空计是缩式和热真空。 空气和而只有 又叫麦式真使用质，由于水银蒸汽对人体有 时，平常不 系发而污染品，而冷 因此它只适用于测量永久性气体， 现在冷冻干燥广泛使用电阻式真空计， （又称皮喇尼真空计）它的工作原理 变时，电阻丝热量的耗散情况也改变。 还有一种高频火花真空检测仪，它是利用高频高压引起气体的放电现象来 第七节 机械制冷原理和系统组成 冷。 物体移到另一个物体上。 冷剂蒸发而吸热，压缩而 又冷 节流作用液体在

44、蒸发器内蒸发吸收热量，吸热 表、水量控制阀等附件。 根据热力学第二定律，热量不能自动地由冷的物体传导给热的物体。 致冷就是移去物体的热量，使物体的温度降低。当物体的热量减少时，分 子的运动就缓慢，于是温度下降。这一过程必须消耗其他能量。 使物体致冷的方法有许多种。使用一种机械装置使物体温度降低叫机械制 利用直流电通过一种碲化铋的半导体材料而产生的致冷，叫做半导体致冷。 此外还有利用液态空气的蒸发而获得低温的方法等等。 液体在蒸发时需要吸收汽化热，蒸汽在膨胀时也需要吸收热量；机械致冷 正是利用了这个原理。 有一种叫致冷剂的特殊液体，它的沸点很低，在低温下极易蒸发，当它在 蒸发时吸收了四周的热量，

45、使周围物体的温度降低；然后把这种液体的蒸汽又 加以压缩，再冷却移去它的热量，使它又变成液体，再把这液体去蒸发吸热， 如此循环不断，便能使蒸发部位的温度不断降低，这样致冷剂就把热量从一个 冷冻机就是能实现这样循环的机器，它是能使致 凝成液体的一个封闭的机械系统。它由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发 器四个主要部分组成，见图七。 冷凝器兼储液桶内的液体致冷剂经过出液阀到节流装置，通过节流装置的 后液体变成温度较高的蒸汽，被 压缩机吸入，压缩成高压高温的蒸汽，经冷凝器的水冷却，移去了蒸汽的热量， 温度下降凝缩成液体致冷剂。如此不断循环便在蒸发器部分获得了低温。 致冷系统除压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发

46、器四个主要部件外，还有各 种开闭阀门、过滤器、热交换器、油分离器、高压安全阀、压力继电器、压力 压缩机是冷冻机的心脏一般由电动机带动，它有吸入口和排出口。通过压 缩机的不断工作才剂吸热，压缩冷凝 等作用。 压缩机与电动机的组合可分为封闭式、半封闭式和开式三种类型。封闭 式的压缩机电动机全部装在一个密闭的筒体中 体，但没有封闭箱包围；开式的压缩机电动机 冷式和水冷式二种，风冷式有强制风冷和自流 节，在大中型的冷冻机上，一般使用膨胀阀或称节流阀来控制，它使液态致冷 分，它根据不同的需要而做成不同形式，对 于冰 能使致冷在管路系统内不断循环产生蒸发 按 ；半封闭式的压缩电动机连成一 是互相独立的，要

47、靠联轴器或皮 带来传动。 按压缩机本身的构造可分为活塞式、旋转式、涡轮式、螺杆式等。 在冻干机中，以开式和半封闭式的活塞式致冷压缩机使用最多。 冷凝器的作用是移去致冷剂的热量，使致冷剂的蒸汽冷凝成液体。它有风 对流冷却二种，风冷式的仅在小 型冷冻机上使用，大、中型的冷冻机一般都采用水冷式。 节流装置是储液筒和蒸发器之间的致冷剂控制装置，使液态致冷剂受约束 地根据需要进入蒸发器内，并突然减压而迅速蒸发吸热变成蒸汽，一方面致冷 剂的蒸汽被压缩机吸走，另一方面又将液态致冷剂不断地加以补充。 节流装置有二种形式。在小型冷冻机上使用微管节流器，也叫毛细管。它 是一根较长而管径很细的铜管，到蒸发器时突然变

48、成粗大的铜管。流量不能调 剂流过一个小孔，而小孔出口处有一个可关闭，开大的阀针，然后管径变粗大， 蒸发器是冷冻机的实际使用部 它的流量可以调节。 以图八说明致冷剂在蒸发器内的蒸发情形。当高压液体通过微管或膨胀阀 的小孔时，由于微管和膨胀阀的小孔的直径很小，因此流动阻力很大，液体致 冷剂只能以一定的流量流速通过。当通过节制口时，管径突然变粗大。高压液 体变为低压液体，由于压力降低沸点降低，液体迅速沸腾蒸发，大量吸收热量 而变为小液滴与蒸汽的混合物；由于压缩机的不断抽吸作用压力继续降低，小 液滴又沸腾蒸发吸收热量全部变成饱和蒸汽，饱和蒸汽又继续膨胀吸收热量而 变成超热蒸汽，最后被压缩机通过吸入管吸

49、走。这时高压液体又不断地补充， 使蒸发器不断降温，而维持在某一个低温上。 箱就是冷藏柜部分；对于冻干机可以是冻干箱内的板层或中间流体冷却器 内的 缩循环和二元致冷循环（又称复叠致冷）等几种类型。 节流后 到蒸带走热量 而冷 效果。 极小，如果用F-12作致冷剂，双级压 盘管。 第八节 致冷循环的类型 冷冻机根据不同的需要其管路系统有不同的类型，一般常见的有单级压缩 循环、双级压 单级压缩致冷循环见图九，液态致冷剂自出液阀流出后，经膨胀阀 发器蒸发吸热，蒸汽由压缩机吸入压缩后，在冷凝器内由冷却水 凝成液态致冷剂。 有些单级致冷压缩循环在低压管路上增加了热交换器，使进入蒸发器的致 冷剂预先冷却，再经膨胀阀进入蒸发器吸热，以达到更好的 单级压缩循环利用 F-12 致冷剂一般可以达到接近-40的低温。 为了得到更低的温度，可以采用双级压缩致冷循环，使用二台压缩机串联， 或由一台压缩机组成单机双级压缩，一般单级压缩机的压缩比可达到 8 左右， 压缩比大于 8 时