干燥技术第一节-喷雾干燥的程布置和过程阶段

原理将溶液、乳浊液、悬浊液或浆料在热风中喷雾成细小的液滴，在它下落过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品，称为喷雾干燥。在干燥塔顶部导入热风，同时将料液泵送至塔顶，经过雾化器喷成雾状的液滴，这些液滴群的表面积很大，与高温热风接触后水分迅速蒸发，在极短的时间内便成为干燥产品，从干燥塔底部排出。热风与液滴接触后温度显著降低，湿度增大，它作为废气由排风机抽出。废气中夹带的微粉用分离装置回收。物料干燥分等速阶段和减速阶段两个部分进行。等速阶段，水分蒸发是在液滴表面发生，蒸发速度由蒸汽通过周围气膜的扩散速度所控制。主要的推动力是周围热风和液滴的温度差，温度差越大蒸发速度越快，水分通过颗粒的扩散速度大于蒸发速度。当扩散速度降低而不能再维持颗粒表面的饱和时，蒸发速度开始减慢，干燥进入减速阶段。此时，颗粒温度开始上升，干燥结束时，物料的温度接近于周围空气的温度。3.1喷雾干燥的流程布置与过程阶段3.1.1喷雾干燥的流程布置(1)开放式喷雾干燥系统该系统的特征是雾化的料液全部是水溶液，干燥介质是环境的空气，空气经过干燥器及除尘系统后，排放到大气中。这是一种标准的流程，在工业上，绝大多数是这种流程，如图5-1所示。(2)开放式的具有部分废气再循环的喷雾干燥系统部分废气再循环是为了回收部分废气的余热,以节省燃料消耗。再循环量一般为排放总量的20%～30％。最高可达50％，视排气温度而定。其流程如图5-2所示。(3)闭路循环喷雾干燥系统闭路循环喷雾干燥系统，是基于干燥介质为惰性气体(如N2气等)的再循环和再利用。当然，特殊情况下也可以用空气，如空气－四氯化碳系统。干燥系统部件间连接处要保证气密性密封，干燥室在低压(200mmH2O即1.96kPa)下操作。其流程如图5-3所示。在下述情况下，选用闭路循环流程①原料液由固体和有机溶剂组成；②要求有机溶剂全部回收；③干燥有毒的固体粉粒状产品；④不允许气味、溶剂蒸气和颗粒状物质的逸出，防止对环境大气造成污染；⑤粉尘在空气中可能形成爆炸混合物；⑥必须防止有机溶剂的燃烧和爆炸的危险；⑦在干燥过程中，由于氧化作用，不允许粉尘和氧接触。在流程中，设置的洗涤一冷凝器，有两个目的:一是冷凝从物料中出来的进入惰性气体中的有机蒸气；而洗涤液就是固体中的有机溶剂；二是洗涤气体中的粉尘，防止堵塞加热器。(4)半闭路循环喷雾干燥系统这种流程如图5-4所示。此系统用空气作干燥介质。这个系统的部件间连接处是非气密性的，由系统排放到大气中的空气量相当于漏入系统的空气量。干燥器在微真空(压力约为-10~-30mmH2O，1mmH2O＝9.80665Pa)下操作。排放的少量气体，能够比较容易处理，一般用作燃烧的空气。该系统用于有气味和有毒的水溶液物料。但是，粉尘没有爆炸和燃烧的危险。需要间接加热，防止粉体(产品)同燃烧产物接触。含有毒性颗粒或气味的少量排放气体，通过燃烧室的火焰区域，将其惰性化(即氧化)或脱味，然后排放到大气中。(5)自惰化(self-inertizing)喷雾干燥系统它也是一个半闭路循环系统。此流程如图5-5所示。加热器采用直接燃烧式，工艺条件允许采用高干燥空气入口温度，可以提高干燥器热效率。排放的气体量等于在燃烧室燃烧产生的气体体积量(大约为总气体量的10％～15％)。如果排出的气体有臭味，还可以将此部分气体通人燃烧室进行燃烧，并回收这部分热量。直接燃烧加热的这种流程，它可以获得完全燃烧的条件，采用非常少的过量燃烧空气操作，可以建立起自惰化系统。该流程用于水溶液物料，干燥产品不能和空气及氧气接触，或有爆炸的危险，或产生氧化作用，破坏产品质量。该系统的特征就是采用直接燃烧加热器，烧掉空气中的氧。用燃烧气体更可取，容易控制燃烧。在燃烧室中，采用精确调节过剩燃烧空气量，以得到低氧含量的循环干燥气流。一个自惰化系统，不需要氮气及其他惰性气体。系统不需要气密性气封。干燥室在微真空下操作，干燥器附近无粉尘。(6)无菌的喷雾干燥系统制药工业需要无菌的喷雾干燥系统。这种流程可以是开放式的，或者是闭路循环，决定于是水溶液或非水溶液。系统的全部部件及操作，要防止任何形式的污染。用改进的耐温的空气过滤器(空气为干燥介质)，无污染的雾化及无污染的粉体排卸系统组合起来，组成无菌的喷雾干燥系统，如图5-6所示。特殊设计的空气分布器及干燥室，通过控制雾滴和颗粒的流动图形，达到室壁清洁的条件。在开放式的喷雾干燥系统中，干燥空气进入干燥室以前，首先预过滤后进入加热器，加热到设计温度，再通过完全过滤器(HEPA过滤器，见图5-6)。过滤的水溶液料液，通过一个无菌过滤器后进入雾化器。一般情况下，采用压力式雾器。如果压力式喷嘴不能满足粉体颗粒尺寸要求时，可以使用二流体喷嘴，此时雾化空气要预过滤，然后再经过完全过滤器过滤。旋转雾化器，甚至具有密封的润滑系统，对无菌过程，被认为是不适宜的。此外，将与产品接触的旋转部件，也是被认为是不适宜的。由干燥塔出来的空气和粉体，采用单点出料方式。为了防止大气可能漏入到干燥系统，干燥室和同产品接触的部件，都要保持微正压，通过采用一个风机操作的流程来实现(见图5-6)。同产品接触的全部部件表面，愈光滑愈好，因此，表面必须抛光。特别是焊缝、视镜及门的周围，由于任何一个变形和裂缝，都可能形成沉积产品的区域。喷雾干燥塔的金属和非金属的结构材料，都必须进行杀菌。喷雾干燥塔在重新启动以前，必须在规定温度下，用热空气、水蒸气或化学品灭菌。用160℃的热空气时，需2h，180℃时需30min。用0.2MPa水蒸气时，需20min。系统的过滤器及卸料阀等全部部件，必须按照就地灭菌(SIP)设计。(7)二级和三级干燥流程上述的全部喷雾干燥流程属于一级流程，代表着绝大多数的喷雾干燥系统。在一般情况下，都能满足产品质量(如颗粒尺寸分布、残余湿含量、体积密度等)要求。有时为了改善产品质量和提高干燥器热效率，这就产生了喷雾干燥和流化床干燥或带式干燥的组合的二级和三级干燥系统。对于干燥非常复杂的产品，技术要求又非常严格，在一级流程中很难完成时，就可采用二级流程，喷雾干燥作为第一级干燥器，流化床作为第二级干燥器，或者作为干燥器和冷却器，如图5-7所示。采用二级干燥，具有下述优点：①产品湿含量可以非常低；②粉粒体产品温度低；③可以改变粉体的尺寸分布(可以团聚，可以分级)；④提高干燥过程热效率(见表5-1)。三级干燥系统在食品工业应用较多，如图5-8所示。它可以完成要求复杂的产品，如喷涂造粒、添加一些其他成分等。二级、三级干燥和一级比，不仅能提高产品质量，而且还可以节省能量，见表5-1。3.1.2喷雾干燥的过程阶段(1)喷雾干燥的第一阶段——料液的雾化料液雾化为雾滴、及雾滴与热空气的接触、混合是喷雾干燥独有特征。雾化的目的在于将料液分散为微细的雾滴，具有很大的表面积，当其与热空气接触时，雾滴中水分迅速汽化而干燥成粉体或颗粒状产品。雾滴的大小和均匀程度对产品质量和技术经济指标影响很大，特别是对热敏性物料的干燥尤为重要。如果喷出的雾滴大小很不均匀，就会出现大颗粒还没达到干燥要求，而小颗粒却已干燥过度而变质。因此，料液雾化所用的雾化器是喷雾干燥的关键部件。目前常用的雾化器可作如图5-9所示的分类。(2)喷雾干燥的第二阶段——雾滴和空气的接触（接触、混合、流动，即干燥）雾滴和空气的接触、混合与流动状态决定于热风分布器的结构形式、雾化器在塔内的安装位置及废气的排出方式等。在干燥塔内，雾滴－空气流向有并流、逆流及混合流。雾滴和空气的接触方式，对干燥塔内的温度分布、雾滴(或颗粒)的运动轨迹、颗粒在干燥塔中的停留时间及产品性质等均有很大影响。研究雾滴的运动及干燥过程，主要是确定干燥时间及干燥塔的主要尺寸。(3)喷雾干燥的第三阶段——干燥产品与空气分离(通常称为气一固分离)喷雾干燥产品，大多数都是采用塔底出料。部分细粉夹带在排放的废气中，这些细粉在废气排放前必须收集下来，以提高产品收率，降低生产成本；排放的废气必须符合环境保护的排放标准，以防止环境污染。喷雾干燥常用的气一固分离方法，可有下列几种方式：只用旋风分离器；只用袋式过滤器；只用静电除尘器；旋风与布袋的组合；旋风与湿法除尘的组合。采用何种方式，决定于工艺要求(包括环保要求等)。3.1.3喷雾干燥的优缺点工业生产实践证明，在当代，喷雾干燥是一个非常重要的工业干燥操作。它的工业应用非常广泛，几乎涉及国民经济的每一个部门。喷雾干燥的优点①只要干燥条件保持恒定，干燥产品特性就保持恒定。产品质量好，含水量5%。②喷雾干燥操作是连续的，其系统可以是全自动控制操作，干燥时间短。③喷雾干燥系统特别适用于热敏性物料的干燥，适用于水溶液和有机溶剂物料的干燥。④原料液可以是溶液、泥浆、乳浊液、糊状物或融熔物，甚至是滤饼等均可处理。⑤喷雾干燥操作具有非常大的灵活性。喷雾能力每小时几千克至200t。喷雾干燥的缺点①投资费用比较高。②喷雾干燥属于对流型干燥器，热效率比较低(除非利用非常高的进风温度)，一般为30％～40％。