罗博讲冻干007：什么样的冷阱是一个“好的”冷阱？——冷阱常见问题解答

开谱首席冻干专家罗春博士，专注研究冻干工艺，现推出“罗博讲冻干”专栏，不定期连载，欢迎交流探讨。

今天是本专栏的第七篇。

0 前言

冷阱是冻干机的重要组成部分，在冻干过程中，冷阱主要起到捕捉水分的作用，冷阱主要用于使升华的气体在其表面完成捕捉。然而，在线下与客户的沟通过程中，我们发现，许多朋友对冷阱的作用以及如何评价冷阱好坏方面还存在一些模糊的认知。在这篇文章中，我们将对冷阱的作用进行介绍，以供各位读者朋友参考。

1 什么是冷阱

在冻干机中，冷阱是一种是用于捕捉升华气体的装置。冷阱表面温度较低，在冷阱表面上，分子可以凝聚，气体分子在其表面发生凝华，从而起到捕捉气体的作用，冷阱在冻干机中的作用可以通过下图表示。

图1 冻干机工作原理图

在干燥过程中，物料内部会形成升华界面，升华界面存在冰晶，而冰晶表面存在着饱和蒸汽压P_s，P_s与冰晶表面温度有关，冰晶表面温度越低，饱和蒸汽压越低。而在冷阱表面也有对应的表面压力P_i，P_i与冷阱表面温度有关，冷阱表面温度越低，P_i也就越低。

一般来讲，冷阱表面温度要低于物料温度，因此冰晶饱和蒸汽压P_s大于冷阱表面压力P_i，升华产生的气体在P_s与P_i的压力差作用下，从升华界面转移至冷阱表面。这个过程周而复始，最终完成了升华气体的捕捉。总的来说，冷阱就是一种利用低温表面压力低来捕捉升华气体的装置。

在实际冻干过程中，冷阱最常见的形式是盘管形状，冷阱盘管内流有制冷剂，使得盘管表面温度降低，起到捕捉升华气体的作用，但也有部分产品采用其他形式，如套筒形式的冷阱。尽管冷阱形式不一，但冷阱工作原理是一致的。

2 为什么要用冷阱

前文已经讲到，冷阱是为了将升华气体排出，那为什么不直接使用泵将升华气体转移走，而是要额外使用冷阱呢，其实这和高真空条件下的气体状态有关系。干燥是在高真空环境下进行的，升华气体的密度在高真空环境下较低，以冻干最常见的水为例，水蒸汽在压强为287 Pa时的的密度为2.36 g/m³，即每升华1g冰晶，需要排出约424 L的空气，当干燥腔内压强进一步降低时，需排出气体的体积将进一步增加，这对泵而言是一个巨大的负担。因此，在冻干机中往往采用冷阱作为收集升华气体的装置。

3 怎么评价冷阱的好坏

3.1 现有方法的局限性

目前业界对于如何评价冷阱好坏尚无定论，目前一般是通过冷阱温度高低来判断冷阱的好坏。冷阱温度越低，冷阱表面与升华界面之间的压力差也就越大。冷阱的捕水能力也就越好。但是在使用过程中，我们发现仅仅用冷阱温度作为评价冷阱好坏的指标具有一定的片面性，这主要体现在以下几个方面：

（1）冷阱温度的表征方式不够全面

在这里，我们以盘管形的冷阱为例，目前冷阱温度一般以制冷剂入口处的温度为测量的冷阱温度，但是这存在几个问题，首先，制冷剂在进入冷阱后，温度会上升，对于配置不合适的制冷系统（如制冷剂量偏少、毛细管尺寸选择不合适等），制冷剂在冷阱盘管中的温升较大。这导致后半部分盘管不能起到捕捉水分的作用。在这种情况下，即使冷阱温度较低，但是冻干机的捕水效果仍然较差，进而导致冻干机性能表现不佳。

其次，随着干燥过程的进行，水蒸气在冷阱表面凝结，冷阱表面出现霜层。霜是热的不良导体，因此，霜层表面与冷阱表面温度存在一定的温差。然而，实际过程中，温度探头往往安装在盘管表面，测量的温度仍然是冷阱表面温度，但这时，影响驱动压差/捕水量的是霜层表面温度。这就导致标称的冷阱温度并不能代表实际的捕水效果。

（2）进一步降低冷阱温度效果有限，但对制冷机组的要求较高。

这里我们仍然以水蒸气为例，下图下图给出了水蒸气饱和蒸汽压与温度的关系，可以看出，在温度较高时，降低温度带来的饱和蒸汽压降低很明显，如在-15℃降低至-25℃时，饱和蒸汽压下降了大约4mbar，而当温度从-65℃下降至-75℃时，饱和蒸汽压下降少于0.1mbar。这一趋势从饱和蒸汽压的曲线也能看出来，随着温度的下降，饱和蒸汽压下降幅度越来越小。这说明当进一步降低冷阱温度时，其表面蒸汽压下降幅度较少，对增加压力差效果较小。

图2 不同温度下水蒸气饱和蒸汽变化情况

而在另一方面，进一步降低冷阱温度对制冷机组提出了更高的要求，当冷阱温度要求较低，单个压缩机不能满足要求，需要使用复叠循环，机组的复杂性增加，而当冷阱温度进一步降低时，需使用多级复叠循环，设备复杂性增加，投资增大。在实际生产过程中，往往需要综合考量经济性与效率因素。

（3）气流组织对于冷阱捕水效果也很重要

合理的气流组织对提升冷阱捕水效果有十分重要的作用，即使冷阱温度较低，当气流组织不合理时，仍然有可能出现水蒸气仅在冷阱盘管上半部分凝结，下半部分的冷阱没有起到捕水的作用，这相当于冷阱盘管下半部分的能量被浪费了。在优化气体流动后，冷阱表面基本全部覆霜。

3.2 采用实际捕水量作为指标更加合适

综上所述，仅使用冷阱温度代表冷阱的好坏具有一定的片面性。在我们的实践中，我们发现还是使用捕水量的大小表征冷阱的好坏更加合理。因为归根结底，冷阱的作用是捕捉升华出来的水蒸气，捕水量大就说明捕水效果好，也说明进入真空泵的升华气体量更少，能够保证泵的使用寿命。

4 常见误区

在与同行朋友交流的过程中，我们发现，还有一些朋友对冷阱具有一些似是而非的认识，在这里我们列举了一些常见的误区，供大家参考：

（1）冷阱可以用于冻结样品？

目前冻干机有不同的机型，对于钟罩型冻干机而言，样品需要先完成预冻才能放入冻干机进行冻干，在这个过程中，物料升华的热量主要来源于外界的辐射热，而冷阱主要作用为捕捉水蒸气，在这个过程中，由于冷阱温度较低，冷阱与样品之间的辐射换热会给样品起到冷却效果，对于部分熔点较高的物质，将样品放入钟罩式冻干机能起到使样品冻结的作用，但是对于熔点较高或者处理量比较大的物质，仍需要首先将样品进行预冻。

而对于中试型冻干机，冷阱的作用需要分类讨论。对单仓式冻干机而言，冷阱与搁板处于一个腔，冷阱表面与样品通过辐射进行换热，冷阱温度对于样品温度有一定影响，但是样品的冻结主要依赖于搁板的降温冷却。而对于双仓式冻干机，由于冷阱与放置样品的搁板不在一个腔体，冷阱温度的影响可以忽略不计。

总的来讲，在部分冻干机型中，冷阱对样品温度有一定影响，但是冷阱的作用是形成低温表面，捕捉升华气体，而不是使样品冻结。

（2）冷阱温度需要特别低才能捕捉住有机溶剂？

事实上，对于大部分冻干物质，-90℃以下的冷阱温度就已经能捕捉大部分物质的气相。冻干过程中常见的一些有机溶剂，如甲苯的三相点压力为0.0383 Pa，温度约为-93℃；叔丁醇的三相点压力约为5.43 kPa，温度约为25℃。DMSO的三相点压力为80 Pa，温度约为18℃。可见，对于绝大部分有机溶剂而言，不需要追求极低的冷阱温度。

5 总结

冷阱是冻干机的重要部件，在一定程度上它决定了冻干过程的效率与成功与否。但是目前许多用户朋友判断冷阱好坏仅仅看冷阱温度这一个指标，这个看法具有一定的片面性。尽管目前对于冷阱的好坏没有公认的标称值，但从我们研究团队的经验出发，我们认为捕水量是一个比较好的衡量指标，这个指标考虑了各个因素，能较好的反应冷阱的捕水能力。在选择冻干机的过程中，我们也建议大家不要只看冷阱温度这一指标，要多方面判断，关注冷阱实际捕水量，根据实际需求选择合适的冻干机。