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      凍干過程中西林瓶破裂原因分析及解決方案(一)

      發布日期:2021-11-17 07:52 點擊:

      凍干過程中西林瓶破裂原因分析及解決方案(一)




      凍干工藝 丨作者 /康瑜

      這是凍干工藝之家公眾號的第61篇原創文章

       

      前  言

       

       

       

      西林瓶是凍干產品專用容器。

       

      凍干過程中:液體先在低溫預凍下冷凍為非流動態、繼而升溫進入一次干燥通過升華的方式去除水,最后在更高的溫度下進行二次干燥去除吸附水和結合水。

       

      凍干過程中可能遇到西林瓶破裂的問題。

       

      生產中的西林瓶破裂不僅造成產品的損失,清理破碎的西林瓶和泄露物料對凍干設備的清洗和驗證帶來很大的挑戰,西林瓶的碎玻璃存在進入其他“敞開”狀態西林瓶中的風險,而且還可能劃破排水閥密封圈從而導致設備真空密封性的問題。

       

      因此此問題出現的概率雖然不高,但一旦出現,則是凍干產品生產過程中非常頭疼的問題。

       

      西林瓶破裂的原因很復雜,主要有兩個方向:

       

      • 西林瓶內裝載的物料在溫度變化和相變過程中產生的向外“膨脹力”所導致;

         

      • 西林瓶所使用的玻璃材料在凍干工藝過程中,因為溫度不斷變化導致玻璃內外溫度梯度繼而帶來的應力差所導致。

       

      這篇文章將會主要從這兩個方面來分析凍干過程中常見的西林瓶破裂的原因。

       

      后續需要大概再補充兩篇,詳細分析不同物料可能導致西林瓶破裂的原因和概率。

       

      以及實際生產過程中,一些操作流程可能導致西林瓶破裂的原因。

       

      原     理

       

      斷口學是用于任何玻璃制品發生破裂時用于研究原因的常用和有效的方法;

       

      當力作用在玻璃物體上時,玻璃會發生彈性變形(應變),從而產生“壓應力”和“拉應力”;

       

      這些應力在玻璃中的分布狀態取決于容器外形的設計因素、玻璃厚度分布和施加在物體上的力的類型;

       

      玻璃僅在“拉應力”的影響下會發生破裂,裂紋沿垂直于拉應力分布的方向擴展;

       

      因此,裂紋模式可以精準反應作用在玻璃物體上的力的類型,可用于后期分析玻璃瓶破裂的原因。

       

      現     象

       

       

      圖(1):凍干過程中,常見的西林瓶破裂形態

      外側玻璃表面的下側壁區域出現垂直裂縫,有時在起始點的上方和/或下方出現分叉。

       

       

      圖(2):內部壓力使得西林瓶破裂而出現的形態(內部膨脹力)

      試驗方法:

       

      在瓶子內灌滿水然后施壓,起初壓力很低然后逐漸增大,直到瓶子破裂。

      a小瓶為較高的壓力下破裂

      b小瓶為較低壓力下破裂

       

       

       
       
      圖(3):熱應力導致的西林瓶破裂形態(玻璃溫度差)

       

      試驗方法:將西林瓶在烘箱中加熱然后浸入冷水浴。

       

      a)為在較高的溫度差下產生的裂紋

      b)為在較低的溫度差下產生的裂紋

       

       

      計算機模型應力分析

       

      西林瓶厚度分布 

       

      有限元分析冷凍產品膨脹引起的拉應力模式

       

      • 水平力模擬了水結冰時膨脹產生的力;

         

      • 有限元分析結果如圖5所示,向外膨脹的力在玻璃內部和外部產生了幾乎相等大小的拉應力;

         

      • 由于與內表面相比,西林瓶外表面有缺陷的可能性(西林的上游處理工藝可能會對外表面造成劃痕等),因此斷裂起源多發生在西林瓶外表面,此結果和圖(2)顯示的結果是一致的。

         

      • 根據對在商業凍干過程中破裂的51個西林瓶進行的破裂診斷得知,導致西林瓶的拉伸破裂應力范圍為27.6至69.0 MPa。

         

      • 為了達到27.6 MPa的總斷裂應力,玻璃瓶的內外表面之間需要125°C的溫差。斷裂應力為69.0 MPa時,需要314℃的溫差。

         

      • 凍干過程中升降溫速率都比較緩慢,幾乎不可能產生如此高的溫度梯度。

       

      綜 上 所 述

       

      根據西林瓶在工業生產中的常見破裂形態對比實驗結果以及西林瓶溫度差破裂所需要的應力數據可以得知:

       

      • 大多數的西林瓶破裂主要是由于西林瓶內裝載的物料在溫度變化和相變過程中產生的向外“膨脹力”所導致的;

         

      • 而非凍干過程中,因為溫度變化帶來的西林瓶壁溫度差所導致。

       

      具體是那些物料的什么變化,容易導致西林瓶破裂的這個問題呢?

       

      除了物料的問題,是否還有其他實際操作過程中的問題,也會引發西林瓶的破裂?

       

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