真空冷冻干燥机的原理和曲线图

水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。其分子式为H 2O，分子量为18。在一个大气压下，水的凝固点为0°C。随着压力的增加，冰点下降。冷冻是一个放热过程，水的熔化热为 80 cal/g。在一个大气压下，水的沸点是 100°C。此时，水的蒸气压等于大气压。当压力降低时，沸点会降低，当压力增加时，沸点会升高。水的汽化是一个吸热过程，水的汽化热为536.5 cal/g。从水的状态图中可以看出，三相点约为0℃和6.11毫巴。当压力低于6.11毫巴时，水只能以气相和固相存在，而没有液相。冰的升华热约为 670 cal/g。

水状态图

4℃时水的密度最大，为1 g/cm3，随温度升高或降低密度减小，冰的密度为0.92 g/cm3，所以冰比水轻，结冰时发生体积膨胀。

水蒸气的临界温度为374℃，临界压力为217.7个大气压。当温度降低时，水蒸气容易液化，在不同温度下，水和冰具有不同的蒸气压。

空气能溶于水，溶解度随温度升高而降低。纯水几乎不导电。当其他物质溶解在水中时，电导率会显着增加。冰是热的不良导体。

解冻

溶液的凝固点和沸点与溶剂和溶质不同。根据溶质的浓度，它具有不同的凝固点和沸点。以水溶液为例，说明溶液的缩合过程。水溶液的冷凝与纯水不同。它在一定温度下不会完全凝结成固体。当溶液温度下降到一定温度时，晶体开始沉淀。随着温度的降低，晶体的数量不断增加，最终溶液全部凝结。因此，溶液在一定温度范围内冷凝。冷却时晶体开始沉淀的温度称为溶液的凝固点，溶液完全凝结的温度称为溶液的凝固点，即溶质和溶剂全部结晶的温度点.在溶液结晶过程中，溶液的浓度会增加，凝固点会下降。稀溶液变成浓溶液，逐渐变成饱和溶液。当温度继续降低时，由于溶解度的降低，溶质结晶会析出，最后变成冰晶。对于含有溶质晶体的共晶混合物，此时的温度为溶液的共晶点温度。这个过程也是一个放热过程，像水结冰一样，在冻结曲线上出现过冷和平台。

溶液的冷冻曲线

大部分冻干产品是水溶液。有些是多组分水溶液，有些是溶液和悬浮液的混合物。一些成分复杂的液体在冷冻时会形成两种状态，一种是结晶态，另一种是非晶态（也称为玻璃态）。如果形成结晶状态，则其完全冻结或凝固的温度称为共晶点；如果它形成玻璃态，它完全冻结或固化的温度称为玻璃化转变温度。

溶液的浓度对冻干很重要，它会影响冻干的时间和质量产品，浓度太高或太低都不利于冷冻干燥。浓度过高，干燥后干物质过多，密度高，溶解缓慢。干燥时会影响升华速度甚至熔化。浓度太低，干燥后干物质太少，形成团块结构，产品如棉花，甚至会被升华气流带到容器外。冻干品的浓度应在4%～25%之间，以10%～15%为最佳。产品的浓度也会影响产品的冰点。例如氯化钠浓度为18.8%时，凝固点为-15℃，浓度为23%时，凝固点为-21℃。