专利名称：冻干过程中的压力测温方法
技术领域：
本发明涉及一种在冷冻干燥过程中的升华干燥过程中，如何测量移动的升华界面温度的一种非接触式测温方法，特别涉及一种冻干过程中的压力测温方法。
背景技术：
冷冻干燥技术是近几十年来发展起来的一门新型的相互交叉的边缘学科，涉及到传热传质学、制冷技术、真空科学与技术、自动控制、生物化学、药剂学等学科。冷冻干燥过程是一个复杂的传热、传质过程，是一个与物品本身物性参数和冻干中的过程参数有关的问题，是一个具有高附加值的加工过程。温度测量在冻干过程优化与控制中占据着极为重要的地位，如在升华干燥过程中，要控制被干燥物品温度低于其共晶点或塌陷温度，提高传质速率；在解吸干燥过程，要控制被干燥物品温度低于其塌陷温度或变性温度，控制其残余水分含量等。目前，在冻干生产过程中，采用的测温方法大多为接触式测温方法，测温元件大多为热电偶或热敏电阻，热电偶或热敏电阻均具有一定的体积及有限的数量，这也是热电偶或热敏电阻在冻干应用中的局限性的固有原因。第一，接触式测温法只能准确反应其测温元件所处局部位置的温度状况，若测温元件无法进入冻干物品内部时，它不可能测量出该冻干物品内部的温度状况，但当测温元件进入冻干物品内部时，测温元件附近的冻干物品的结构就被破坏了，也就是说，测温元件局部结构与冻干物品整体结构不同了，所以，测温元件所反应的温度状况不能代表冻干物品整体的温度状况或其它位置的温度状况；第二，在冻干传热、传质计算分析中，由于冻结层与干燥层的物性参数及传热、传质方式有较大的不同，均把冻结层与干燥层分别建立方程组，升华界面温度状况是解两方程组最重要的边界条件，升华界面温度的准确测量必会大大减化计算方程与仿真计算程序，提高计算的精度，但升华界面是移动的，接触式测温元件位置是固定的，是无法时实测量升华界面的温度；第三，有限的测温元件只能置入几个有限的试样中，在批量生产中，一批样品往往由上千万个试样组成，有限的几个试样是很难反映整批样品所处的温度状况的；第四，在药品生产过程中，生产过程要求无菌操作，生产过程趋于连续化、自动化， 冻干机的装卸工作由自动化罐装生产线完成，应尽可能地减少人为操作过程，而测温元件安放工作就是一个必须的人工操作过程，显然，接触式测温方式给自动化连续生产也带来诸多不便。所以，传统的接触式测温方式不光无法测量移动的升华界面的温度，而且给冻干过程的研究与生产控制带来诸多不便。压力测温的思想早已有人提过，但均因压力测温技术对设备的要求高、数据分析处理复杂、实现自动控制困难等因素，而无人深入研究过，至今尚无可以查到的文献能详细说明压力测温技术实施的具体方案。
发明内容
本发明的目的是为了克服在冷冻干燥过程中的升华干燥过程中，现有测量移动的升华界面温度方法的诸多缺点，提供一种通过测量冻干室内压力回升情况去推算升华界面温度的一种非接触式测温方法即冻干过程中的压力测温方法。
本发明的冻干过程中压力测温方法的是基于在平衡状态下，冰晶温度与其饱和蒸汽压为单值函数这一基本规律，在升华干燥过程中，突然中断从冻干室流向冷阱的水蒸汽流，通过测量冻干室内压力回升情况去推算升华界面温度的一种非接触式测温方法。其技术方案包括压力测温方法的数学模型、数据回归方法、冻干系统装置设计，其方法的步骤为1、快速关闭冻干室与冷阱间的连接通道上装有的中隔阀约0～30s；2、通过冻干室内装有真空压力传感器测量中隔阀关闭时冻干室内的压力P0；3、根据P(t)＝PI-(PI-P0)e(-K·t)+F·t其中P0中隔阀关闭时冻干室内的压力PI升华界面上的压力(Pa)P冻干室内的压力(Pa)K一个常数，与冻干室、冻干样品的特性尺寸及传质阻力有关F一个常数，与冻干室的泄漏及样品内传热有关进行一次测量后，可得到若干组(P，t)数据，通过数据采集与处理系统对这些数据进行回归分析，求出方程(1)中的三个未知参数PI，K，F；4、利用冰晶的温度和冰晶表面水蒸汽的关系求得升华界面的温度TI冰晶的温度与冰晶表面水蒸汽的关系式为TI=-6144.96ln(PI/133.3)-24.01849-273.15.]]>为实现上述方法的装置，其特点是，冻干室与冷阱相互独立，冻干室内置有反应迅速的测压装置，冻干室与冷阱间置有反应迅速的流通隔断装置，系统内具有一套高速的数据采集系统和一套稳定的数据处理程序。
本发明的优点是对移动的升华界面的温度状况的较为正确、快速的检测，不需要人在每批生产中对它定位、校准，是适于自动化连续生产的一种测温方法。
图1为压力测温方法图解；图2为压力测温方法实施方案的装置结构示意图；图3为一冻干实验装置系统图；图4为质量浓度为5％的甘氨酸水溶液冻干过程中实施压力测温技术中实测压力回升曲线与回归曲线图；图5为质量浓度为5％的甘露醇水溶液冻干过程中实施压力测温技术中实测压力回升曲线与回归曲线图；图6为质量浓度为10％的氯化钠水溶液冻干曲线图；图7为质量浓度为5％的甘露醇水溶液冻干曲线图；图8为质量浓度为5％的甘氨酸水溶液冻干曲线图。
具体实施例方式
压力测温技术的基本原理与分析方法压力测温技术是基于在平衡状态下，冰晶温度与其饱和蒸汽压为单值函数这一基本规律，在升华干燥过程中，突然中断从冻干室流向冷阱的水蒸汽流，通过测量冻干室内压力回升情况去推算升华界面温度的一种非接触式测温方法。图1表示了压力测温技术的基本分析方法，图中1号线为一实验过程中冻干室至冷阱间的中隔阀突然关闭后的冻干室内压力回升曲线。可以设想，当中隔阀突然闭合后，如若冻干室无泄漏，升华界面温度恒定，则冻干室内的压力必会因冰晶的持续升华而迅速上升，直至冻干室内的压力上升至升华界面冰晶表面饱和水蒸汽压值为止，图中，2号线为系统无泄漏、升华界界面温度恒定的理想状态下的压力回升曲线，如图中2号线及A点所示，通过测量这个压力，即可推算出升华界面的温度。图中4号线为中隔阀关闭后系统泄漏对冻干室压力回升的贡献曲线。图中3号线为传热对冻干室压力回升的贡献，当中隔阀关闭后，处于传热与冰晶升华吸热平衡状态被破坏，升华速率下降，传热量大于升华需要的热量，导致升华界面温度升高，致使冻干室压力持续升高。也就是说，实际测量出的压力回升曲线1号线是由2号、3号、4号线叠加而成的。概括起来讲，压力测温技术就是如何得到1号线，并把1号线合理分解出2号、3号、4号线的过程与方法。
压力测温技术的数学模型在实际生产过程中，实施压力测温技术的时间不易过长，关阀时间过长，易导致冻干样品融化，一般控制时间为0～30s。大量的实验发现，短时间内，冻干室压力回升曲线的形状均如图1中1号线相似，曲线近似为一个飞升曲线和一个斜直线叠加而成。即把3、4号线近似看成一条直线，一般情况下，短时内系统泄漏与传热对压力回升的总贡献相对较小，把3号、4号线合并为一条直线，1、不会引起太大误差，2、大大简化了测量要求，方便了数据处理增加系统运行稳定性，实验出现此误差不超过0.5℃。所以，当中隔阀突然关闭后，冻干室内压力P随时间t的变化关系可由式(1)表示如下P(t)＝PI-(PI-P0)e(-K·t)+F·t(1)其中P0中隔阀关闭时冻干室内的压力PI升华界面上的压力(Pa)P冻干室内的压力(Pa)K一个常数，与冻干室、冻干样品的特性尺寸及传质阻力有关F一个常数，与冻干室的泄漏及样品内传热有关在一个冻干过程中，不同时刻进行压力测温的测量中，方程式(1)中的三个未知参数PI，K，F是不同的，但在同一个测量过程中，认为方程式(1)中的三个未知参数PI，K，F均是常数。进行一次测量后，可得到若干组(P，t)数据，对这些数据进行回归分析，即可求出方程(1)中的三个未知参数PI，K，F。当求出PI后，即可利用冰晶的温度和冰晶表面水蒸汽的关系求得升华界面的温度TI冰晶的温度与冰晶表面水蒸汽的关系式为TI=-6144.96ln(PI/133.3)-24.01849-273.15---(2)]]>压力测温技术的数据回归方法压力测温技术实验数据回归的方法可采用传统的最小二乘法，但需要拟合的方程不是多项式的形式，回归中出现的是一个超越方程组，数据回归方法介绍如下1、方程组的建立假设一次测量中实验测得的数据为(Pi，ti)，数据总个数为n个，则计算的目标函数为minΣi=1n[P(t1)-P1]2---(3)]]>由(9)式可得Σi=1n2[P(ti)-Pi]·∂P(ti)∂Pl=0---(4)]]>Σi=1n2[P(ti)-Pi]·∂P(ti)∂K=0---(5)]]>Σi=1n2[P(ti)-Pi]·∂P(ti)∂K=0---(6)]]>由式(3)、(4)、(5)、(6)可得Σi=1n[PI-(P1-P0)·e-Kti+F·ti-Pi]·(1-e-Kti)=0---(7)]]>Σi=1n[PI-(P1-P0)·eKti+F·ti-PI]·(P1-P0)·ti·e-Kti)---(8)]]>Σi=1n[PI-(P1-P0)·e-Kti+F·ti-Pi]·ti=0---(9)]]>2、方程组的求解式(7)、(8)、(9)为一非线性方程组，采用牛顿迭代求解令Ai=PI-(P1-P0)·e-Kti+F·ti-Pi---(10)]]>Bi=e-Kti---(11)]]>C＝PI-P0(12)令函数F=Σi=1nAi·(1-Bi)---(13)]]>G=Σi=1nAi·ti·Bi·C---(14)]]>Z=Σi=1nAi·ti---(15)]]>则牛顿迭代增量为 式(16)、(17)、(18)中带有下标的函数分别为函数F、G、Z对三个变量PI、K、F一阶导数。
给定一个初值PI0、K0、F0后，利用计算机进行迭代计算，当ΔPI、ΔK、ΔF均小于一给定值时，牛顿迭代可终止，迭代后的PI、K、F即为回归的方程(1)的未知参数值。
为实施压力测温方法所需要具有的基本装置如图2所示，其中1为被干燥物品，真空泵5、真空压力传感器4、数据采集处理系统3冻干机的冻干室2与冷阱6是相互独立的，冻干室与冷阱间的连接通道上要装有中隔阀5，冻干室内要装有真空压力传感器4，冻干机内要有一套数据采集与处理系统3。
(1)设备性能要求与选型A、中隔阀装于冻干室与冷阱间的真空阀门启闭速度要快，全开至全闭的时间要小于0.2s。可选用气动真空蝶阀。
B、真空压力传感器真空压力传感器的测压范围要适中，精度要高，反应时间要短，测压范围要包括1～600Pa，精度要小于读数的0.50％，反应时间要小于50ms。可选用电容式真空硅管，如由德国LEYBOLD公司生产的型号为CTR90-15923的真空硅管。
C、数据采集与处理系统数据采集系统的压力信号的采集速度要不小于每秒10个数据。数据采集系统所用模数转换器可为台湾研华公司生产的ADAM-4012模块，端口转换器为ADAM-4520模块，计算机采用常规计算机即可。
D、冻干室泄漏率冻干机冻干室的泄漏率应小于0.5Pa/s。
2、冻干物品的量被干燥物品升华界面总面积S与冻干室容积V比应大于0.053、单次测量的时间长度限制中隔阀关闭时间一般不大于30s，时间过长，易造成冻干物品溶化，中隔阀关闭时间也不应小于3s，以获得足够多的数据，使回归更精确。
压力测温方法实施程序如下开始→冻杆室压力数据高速采样程序激活→中隔阀关闭→时间到达设定值→中间阀打开→数据回归程序激活→输出结果→结束本发明结合实施例作进一步说明；图3为一多功能实验型冻干机系统图，为实施冻干过程中的压力测温方法，多功能实验型冻干机装置包括冻干室1，真空蝶阀2，冷阱3，液氮供给装置4，真空泵5，电控柜6，计算机7，A/D模块8，电容式真空压力传感器9，冻干室1与冷阱间3采用一真空蝶阀2的中隔阀隔开；冻干室1内装有电容式真空压力传感器9；冻干室与冷阱内均装有若干对热电偶及导线；电气控制装置中置有包括计算机7，A/D模块8的数据采集处理装置，并配有R232或485通迅串口；冷源采用液氮自动供给装置4；冷阱采用低温箱式结构。本实施例中，真空硅管压力传感器选用德国LEYBOLD公司生产的型号为CTR90-15923的电容式真空硅管。数据采集系统采用台湾研华公司生产的ADAM-4012模块和ADAM-4520模块。实施过程中，被干燥物品升华界面总面积S与冻干室容积V比约0.5，回归处理数据采用的是中隔阀关闭后10S内的压力回升数据。
从图4、图5可以看出，回归曲线2与实测压力回曲线1吻合的很好，说明上述压力测温技术的数学模型与数据回归方法是可行的。
图6、图7、图8中，其中1为辐射加热板温度曲线，2为布于溶液中下部的热电偶指示温度曲线，3为布于溶液底部的热电偶指示温度曲线，4为压力测温方法测得温度，5为冷阱温度。从图6、图7、图8可以看出，样品内热电偶指示的温度2、3与压力测温技术所测的温度4基本是吻合的，压力测温技术所测温度较热电偶所测温度稍低，约低1-3℃，这是因为压力测温技术所测温度为升华界面上的温度，热电偶所测为冻结层内的温度，由于冻干室内搁板对样品有加热作用，所以冻结层内的温度比升华界面上的温度高，但由于冻结层较薄，冰晶的导热系数较大，冻结层内的温度梯度较小，所以压力测温技术所测温度比热电偶所测温度偏低，但相差不大；随着干燥过程的进行，当一热电偶所处位置的冻结层消失，局部温度上升，热电偶指示温度就会增大，将不在指示物品内冻结层内的温度状况，而其它位置的冻结层依然存在，压力测温技术可一直反应升华界面的温度，直至一次干燥过程结束。所以压力测温技术较热电偶更能准确的反应升华界面的温度。
权利要求
1.一种冻干过程中的压力测温方法，其特征在于，方法步骤为(1)快速关闭冻干室与冷阱间的连接通道上装有的中隔阀约0～30s；(2)通过冻干室内装有真空压力传感器测量中隔阀关闭后起冻干室内的压力P；(3)根据P(t)＝PI-(PI-P0)e(-K·t)+F·t其中P0中隔阀关闭时冻干室内的压力PI升华界面上的压力(Pa)P冻干室内的压力(Pa)K一个常数，与冻干室、冻干样品的特性尺寸及传质阻力有关F一个常数，与冻干室的泄漏及样品内传热有关进行一次测量后，可得到若干组(P，t)数据，通过数据采集与处理系统对这些数据进行回归分析，求出方程(1)中的三个未知参数PI，K，F；(4)利用冰晶的温度和冰晶表面水蒸汽的关系求得升华界面的温度TI冰晶的温度与冰晶表面水蒸汽的关系式为TI=-6144.96ln(PI/133.3)-24.01849-273.15.]]>
2.为实现上述方法的装置，其特征在于，冻干室与冷阱相互独立，冻干室内置有反应迅速的测压装置，冻干室与冷阱间置有反应迅速的流通隔断装置，系统内具有一套高速的数据采集系统和一套稳定的数据处理程序。
全文摘要
本发明涉及一种冻干过程中的压力测温方法，本发明的冻干过程中压力测温方法的是基于在平衡状态下，冰晶温度与其饱和蒸汽压为单值函数这一基本规律，在升华干燥过程中，突然中断从冻干室流向冷阱的水蒸汽流，通过测量冻干室内压力回升情况去推算升华界面温度的一种非接触式测温方法。其技术方案包括压力测温方法的数学模型、数据回归方法、冻干系统装置设计。本发明的优点是对移动的升华界面的温度状况较为正确、快速的检测，不需要人在每批生产中对它定位、校准。
文档编号G01K11/00GK1470856SQ0312950
公开日2004年1月28日 申请日期2003年6月26日 优先权日2003年6月26日
发明者苏树强, 华泽钊 申请人:上海理工大学, 上海俊乐制冷自控元件有限公司