管道式冷凝器

带你走出冻干误区：冷凝器温度越低，冻干速率越快？”冷冻干燥机是实验室中常用仪器设备之一，常见冷凝器温度有 -55℃、-85℃ 和 -105℃。一个常见的误解是认为温度较冷的冷凝器会具有“更快地蒸发掉水”的能力，从而加速冷冻干燥过程。实则不然，较冷温度的冷凝器最适合用于处理冰点比水更低的溶剂。在处理水性样品时， -55°C 冷凝器的冷冻干燥机足以满足大多数情况的需求，温度更低的冷凝器不会加快冻干过程的进行。超低温冷凝器（如 -85°C 和 -105°C）的设计是用来处理具有低冰点的溶剂及其与水的混合物。温度本身并不会影响冷冻干燥速率。选择较低温的冷凝器只会增加设备的成本和复杂性，而不会增加产品干燥速度和性状。温度本身并不影响冻干速率。这是因为升华过程的驱动力是样品升华表面与冷凝器上冰层之间形成的蒸气压差。简单来说，增大蒸气压差可以在一定范围内促进升华过程的进行，从而提高样品的干燥速度。在冷冻干燥过程中，如果样品不加热，其温度将由腔室中所设定的真空压力来决定。冷凝器上吸附的冰其蒸气压是由盘管的温度决定。表1 是不同温度下所对应的冰蒸气压力值，通过该表可知，为了增大蒸汽压差，提高产品温度比降低冷凝器温度更加有效。这是因为-60°C和-80°C的压差仅为 0.0103mbar，而 -60°C 和 -40°C 的蒸气压差则为 0.118mbar，远高于前者。所以，即便提高产品温度，当选择过低的冷凝器温度时，也不会加速升华过程的进行。当温度降低时，蒸汽压迅速下降，达到速率平台期。当压力和温度一起绘制成图表时，可以明显观察到这种影响(下图)：▲ 冰的温度与其蒸气压的关系冷冻干燥系统的最佳冷凝器温度应根据样品的临界温度和所使用的溶剂类型来进行选择。对于最佳工艺，冷凝器必须比样品冷 15-20°C。当处理含水样品时，-55°C 冷凝器的冷冻干燥机在大多数情况下是完全足够的，较冷的冷凝器不会加速这一过程。更低温度的冷凝器不是设计用于处理含水的样品，而是用来处理具有更低凝固点的溶剂。

伴随着“十九大”的闭幕，环境保护这一热门话题又被再次提上日程，环境保护部党组书记、部长李干杰于10月27日在京主持召开环境保护部党组（扩大）会议，传达学习贯彻党的十九大精神，强调加强环境保护措施，并指出要加快推动形成绿色发展方式和生活方式。 作为祖国的一份子，我司博然科仪始终贯彻党和国家的倡议，把环境保护作为日常工作、生活中的基本要求。除了生活中做到保护环境，节约资源外，在工作上，我们也在积极地为广大用户寻找并推荐更加节能环保的仪器设备。 说到节能环保，就不得不提来自英国Radleys品牌的Findenser空气冷凝器，Findenser空气冷凝器适用于常规实验过程中的冷凝回流，主要用于替代化学实验中95%以上的水冷凝管，起到节约用水、避免实验室水灾的效果。 作为实验室仪器的供应商，我司人员拜访过数以千计的实验室，发现绝大多数实验室在进行着和冷凝回流相关的实验，实验室里或多或少都在使用水冷凝管。水冷凝管的工作原理是通过流动的自来水将温度较高的热蒸汽冷凝下来，实验过程中会消耗大量的水资源，据统计，1根水冷凝管1分钟内将消耗2.5升自来水，按每天工作8小时来算，1根水冷凝管1天内就会耗费1200升自来水。 中国是一个干旱缺水严重的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米。按此数据来计算，2000根左右水冷凝管1天时间内就会消耗掉1个人的水资源分配量。目前全国范围内在使用中的水冷凝管又何止2000根，数以万计，数以十万计都不为过，通过日常实验耗费的水资源总量让人不禁感到心疼和心寒。 此外，虽然水冷凝管使用和排放的均为清洁的自来水，但是其排放到的下水系统中混杂着来自其他实验应用产生的污染废液，两者混合后，加剧了污染水源的总处理量，降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾。 在日常生活中，人们总是在各个方面都想到并在积极做到节约用水，却殊不知大批量的水资源正悄悄地从日常实验中流失、浪费，关注实验室用水、节水刻不容缓，值得我们每个实验人员和仪器行业从事人员的重视。 英国Radleys品牌的Findenser空气冷凝器无需接水、无需通电即可实现冷凝回流功能，可用于替代化学实验中95%以上的水冷凝管，有助于达到可持续的节水目标，而且Finden空气冷凝器的使用效果与水冷凝管相比毫不逊色。 对Findenser空气冷凝器的性能测试中，在相同的烧瓶和装置中分别用Findenser和水冷凝管对一系列溶剂进行测试，并记录溶剂的重量损失。实验结果显示，在相同的条件下，标准款Findenser的溶剂保留率可达到和水冷凝管处于相同的水平（具体数据可参考下图）。 当我们有还有机会去改变，去节水、省水时，那就去做吧，这是利国利民利后代的大事，也是我们每个实验人员和仪器行业从事人员能够为祖国贡献的一点力量，环境保护，人人有责；节约用水，人人有责，让我们一起为祖国的环保事业尽自己的一份力量。

项目总结用户Mars动物饲料加工厂有限公司加工厂地点德国弗登市（Verden）应用领域高温回收冷凝水监测设备Sievers M9总有机碳TOC分析仪技术选择的考虑因素对于高温回收冷凝水的监测，pH值、电导率、紫外传感器均无法有效检测出循环蒸汽中的脂肪、油、颗粒物等污染。而Sievers M9 TOC分析仪能准确检测出含量极低的有机污染物，即使对于碱性样品也不在话下。当分析仪与功能强劲的样品预处理过滤器一起使用时，能够有效监测含有颗粒物的高温冷凝水，提供实时监测数据。使用此技术配置的结果●将锅炉给水中的有机污染风险降至最低。●符合统一的循环蒸汽运行指南，加强了生产设备的保护。●长达12个月的校准稳定期，提供高准确度和精确度的测量值，维护要求低。●快速测量响应，及时报告污染事件。●样品过滤器有自清洁功能。背景位于德国弗登市的Mars动物饲料加工厂按照当地认证机构颁布的标准和欧洲统一标准DIN EN 12952和12953运行其锅炉房。这也符合以前应用的“技术蒸汽指导标准（TRD，Technical Steam Directives）”。加工厂根据相关要求[1-5]，制定了72小时无人监督锅炉房运行的特别措施。如果回收冷凝水中发生脂肪、油和油脂（FOG - Fats，Oil and Grease）污染，就需要可靠的系统来防止该污染进入蒸汽发生器。通过在线监测，该系统的实际功能得到增强，可以发出自动排放被污染冷凝水的指令。锅炉制造商发布的产品规格规定，锅炉给水和返回的冷凝水中不可含有机污染物。虽然锅炉给水中的补给水来自受控工艺，但返回的冷凝水在热交换过程中可能受到污染，因此必须对其严密监测。以往用紫外传感器的方案来检测冷凝水中的有机物污染，但由于紫外传感器的测量结果不准确且维护要求过高，这种方法已被淘汰。如果冷凝水中的颗粒物含量过高，不但会干扰光学测量，还会堆积在光学窗口上，需要每天多次清洁光学窗口。此外，紫外传感器不够灵敏，无法检测到冷凝水中的低浓度有机物。挑战在饲料加工车间，蒸汽可用于多种工艺，如加热、消毒和清洁、直接蒸汽处理产品。Mars公司加工厂的蒸汽应用还包括通过热交换器来液化板油，因此有机物可能会以油脂的形式进入循环蒸汽。pH或电导率探头等普通传感器难以检测到油脂。油脂不溶于水，对pH值和电导率基本无影响，因此很难用pH或电导率来检测有机污染。周末无人值守锅炉房。在无人看管的情况下，锅炉运营指南规定：“如果存在油脂污染的风险，则必须安装双循环系统，除非使用有效设备来确保油脂不会进入蒸汽发生器（例如使用带冷凝水自动排放功能的可靠的监测设备）”[3]。Mars公司加工厂遇到的另一大难题是冷凝水的基质。加工厂用非挥发性胺来养护锅炉，以维持锅炉水的碱性pH值，防止锅炉腐蚀。非挥发性胺不蒸发，不污染锅炉蒸汽，能使锅炉蒸汽保持[7-8]的相对较低pH值，因此锅炉蒸汽可以直接接触产品。但较低的pH值会增加锅炉腐蚀，损坏冷凝管，从而产生大量颗粒物。在监测冷凝水的分析仪中，颗粒物会干扰分析并造成分析仪管道堵塞。解决方案传统的传感器无法有效检测有机物污染，而总有机碳TOC分析仪能够为用户提供全面的有机物监测解决方案。TOC分析仪不但能检测出任何种类的有机物，还能整合到生产系统之中以便进行快速在线分析。同时，自动监测系统成功与否，能否将停产时间降到最短，样品制备也起关键作用。冷凝水的温度升高，常被管道腐蚀所产生的颗粒物污染（见图1），还可能含有养护锅炉用的化学物质。冷凝水的pH值在中性至碱性范围内。Mars公司加工厂发现冷凝水中有大量的貌似铁锈的颗粒物。这些颗粒物虽然不是有机污染物，但会在分析仪中沉积和堵塞管路，从而影响分析。因此，对于本文中的应用来说，样品制备至关重要，旨在确保分析结果的准确性和稳健性。加工厂决定试用已被证明在冷凝水监测领域卓有成效的Sievers M9在线型TOC分析仪，并按照本应用的特定要求来制备样品。快速回路过滤之前快速回路过滤之后图 1：预处理前后的冷凝水对比试用Sievers M9 TOC分析仪的目的是测试Sievers分析仪与一家工程公司联合建立的样品制备过滤工艺。过滤工艺具有以下特点：★耐高温达150°C★耐高压达60 bar★独家采用不锈钢过滤器组件，坚固耐用，耐酸碱腐蚀★快速循环过滤器具有自清洁功能，因而维护要求低★滤芯孔径有1 µm至200 µm多种选择，可满足不同应用。本试用使用5 µm 滤芯（见图5）★带滤液流量监测功能★反向冲洗过滤器和滤液管功能（可选）★滤液流中的DOC过滤器或冷却盘管（可选）★设备体积小巧（见图2）图 2：快速循环过滤板Sievers M9 TOC分析仪采用Sievers独家研发的膜电导检测技术，能够确保测量的准确性[6, 7]。膜电导检测技术使用透气膜，只允许有机物氧化所产生的二氧化碳通过薄膜，以防止其它氧化副产物干扰测量，因此能够提供准确的测量结果（见图3）。Sievers M9 TOC分析仪具有维护要求低、校准稳定期长、极低浓度有机物测量的准确性高等优点，从而成为回收冷凝水的理想监测设备。此款分析仪的优点还包括：无需仪表空气、连续运行时试剂消耗极少、测量所需的时间短、体积小巧、操作便捷等。图3：膜电导技术图4：工艺流程演示设置试用设置和结果试用时，直接从给水箱正前方的冷凝水回流管中取样。带有循环泵的快速循环管路将冷凝水送进预处理系统，然后使冷凝水返回主管路（见图4）。循环泵中的流速约为6 L/min，足以以200-300 mL/min 的流速将过滤后的样品送进TOC分析仪。取样点处的冷凝水的最高温度标定为105°C。由于在快速循环和样品预处理过程中的温度损耗，分析仪的“集成在线取样端口（iOS，Integrated Online Sample Port）”处的温度不到90°C。Sievers M9配备了耐高温型的iOS，适用于温度最高为95°C的样品，因此无需事先冷却样品。在初始冲洗（即彻底清除从取样点到分析仪的所有新管路中的残留有机物）之后，测量结果稳定在100 ppb TOC以下（见图5），表示回收的冷凝水中没有明显的有机物污染。图5：测量结果试用持续进行7周。在试用期间，Sievers M9 TOC分析仪和快速回路过滤器都不需要进行维护。过滤器自带清洁功能，尽管样品中含有大量颗粒物（见图1），但并未检测到滤液流量显著降低。图6：试用7周后（左）和清理恢复后（右）的滤芯由于滤芯是不锈钢网，因此在试用之后，可以用0.1 M HCl来刷洗和处理滤芯，以恢复滤芯的清洁度（见图6）。结论Sievers M9在线型TOC分析仪提供稳定且精确的测量数据，适用于监测30-60 ppb TOC的低浓度回收冷凝水。同时采用上游样品过滤和TOC分析，可以大大降低维护成本、提高测量灵敏度、缩短停产时间，而这些都是紫外传感器无法做到的。我们对维护工作的建议是，在规定的时间内（每1-3个月）用0.1M HCl冲洗整个过滤系统。使用快速回路过滤器，使样品制备变得简便、可靠、维护要求低。尽管滤液中的颗粒物含量高，但滤液流量仍远高于分析仪所要求的50 毫升/分钟，这得益于过滤器制造商设计的自行清理功能。我们发现，5 µm孔径的滤芯足以防止分析仪堵塞。试用结果证明，Sievers M9 TOC分析仪搭配样品过滤装置，是一款性能可靠的监测系统，能够有效监测回收冷凝水中的有机物污染，也能监测Mars 公司加工厂的任何具有挑战性的样品。Sievers M9 TOC分析仪和过滤装置在试运行期间均无故障，且无需维护，为加工厂提供了可靠、准确的测量数据，确保了生产设备平稳运行。参考文献1.Water-tube boilers and auxiliary installations - Part 12: Requirements for boiler feedwater and boiler water quality German version EN 12952-12:2003.2.Shell boilers - Part 10: Requirements for boiler feedwater and boiler water quality German version EN 12953-10:2003.3.Abschnitt 2 TRD 604 Blatt 2 – Zusätzliche Anforderungen an die Ausrüstung der Dampfkesselanlage (Außer Kraft am 1. Januar 2013 durch die Bek. vom 17. Oktober 2012 (GMBl S. 902)).4.Water-tube boilers and auxiliary installations - Part 7: Requirements for equipment for the boiler German version EN 12952-7:2012. 5.Shell boilers - Part 6: Requirements for equipment for the boiler German version EN 12953-6:2011. 6."ASTM E2656 - 16 Standard Practice for Real-time Release Testing of Pharmaceutical Water for the Total Organic Carbon Attribute". www.astm.org.7.Standard Methods for the examination of water and wastewater, 23rd edition, 2017, 5310 Total Organic Carbon (TOC).◆ ◆ ◆联系我们，了解更多！