流化床干燥設(shè)備進展的研究

流化技術(shù)起源于1921年，最早應(yīng)用于干燥工業(yè)化大生產(chǎn)是1948年美國建立的多爾—奧列弗固體流化裝置，而我國直到1958年后才開始發(fā)展此項技術(shù)。流化床干燥過程中散狀物料被置于孔板上，下部輸送氣體，使物料顆粒呈懸浮狀態(tài)，猶如液體沸騰一樣，使得物料顆粒與氣體充分接觸，進行快速的熱傳遞與水分傳遞。流化干燥由于具有傳熱效果良好、溫度分布均勻、操作形式多樣、物料停留時間可調(diào)、投資費用低廉和維修工作量較小等優(yōu)點，得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

    1 流化床干燥設(shè)備的分類

    流化床干燥設(shè)備在不到100年的時間里，經(jīng)過科研人員的不斷改進和創(chuàng)新，得到了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。其種類很多，根據(jù)待干燥物料性質(zhì)的不同，所采用的流化床也不同，按其結(jié)構(gòu)大致可分為：單層和多層圓筒型流化型、臥式多室流化型、攪拌流化型、振動流化型、離心式流化型、脈沖流化型等類型。

    1.1 單層和多層圓筒型流化床

    最早應(yīng)用的流化床為單層圓筒型，其材料為普通碳鋼內(nèi)涂環(huán)氧酚醛防腐層，氣體分布板是多孔篩板，板上小孔半徑1.5 mm，正六角形排列。

    整個干燥過程為：濕物料由皮帶輸送機運送到拋料加料機上，然后均勻地拋入流化床內(nèi)，與熱空氣充分接觸而被干燥，干燥后的物料由溢流口連續(xù)溢出?？諝膺M入鼓風(fēng)機、加熱器后進入篩板底部，向上穿過篩板，使床層內(nèi)濕物料流化起來形成流化層。尾氣進入旋風(fēng)分離器組，將所夾帶的細粉除下，然后由排氣機排到大氣中。此干燥器操作簡單、勞動強度低、勞動條件好、運轉(zhuǎn)周期長。

    但是由于單層圓筒流化床直徑較小，物料停留時間較長，干燥后所得產(chǎn)品濕度不均勻。因此發(fā)展了多層流化床，該流化床不僅可以提高效率，更重要的是能夠得到較為均勻的停留分布時間。為了對物料進行內(nèi)擴散控制，多層流化床還先后經(jīng)歷了溢流管式、下流管式和穿流板式3個階段。多層流化床的物料干燥程度均勻，干燥質(zhì)量易于控制。熱效率較高，適用于降速干燥階段較長的物料以及濕含量較高（水分含量＞14%）的物料的干燥。

    1.2 臥式多室流化床

    由于多層流化床還是存在操作困難、床層阻力大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點，為克服這些缺點，20世紀60年代末70年代初發(fā)展了一種臥式多室流化床。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，適用于各種難干燥的粉粒狀物和熱敏性物料的干燥?？梢哉f，臥式多室流化床干燥器相當于多個方形界面流化床串聯(lián)系統(tǒng)。

    其主要特點：

    （1）在相鄰隔室間安裝擋板，從而可制得均勻干燥的產(chǎn)品，改善了物料停留時間的分布；

    （2）物料的冷卻和干燥可結(jié)合在同一設(shè)備中進行，簡化了流程和設(shè)備；

    （3）由于分隔成多室，可以調(diào)節(jié)各室的空氣量，增加的擋板可避免物料走短路排出。

    該設(shè)備在制藥工業(yè)中推廣較快，目前國內(nèi)有幾十個工廠用此設(shè)備來干燥各種片劑顆粒藥物、粉粒狀物料以及片狀物料。如果在操作上對各室的風(fēng)量、氣溫加以調(diào)節(jié)，或?qū)⒆钅资业臒峥諝舛卫茫蛟诖矁?nèi)添加內(nèi)加熱器等，還可提高熱效率。

    1.3 攪拌流化床

    為了使某些濕顆粒物料或已凝聚成團的物料亦能采用流化干燥技術(shù)，研究人員在加料口附近裝備床內(nèi)攪拌葉片，使呈團狀或塊狀的物料及時打碎，以利于形成流化，這種裝備有攪拌器的流化床稱為攪拌流化床。

    其優(yōu)點在于：

    （1）適合于濕含量較大、在熱氣流中不易分散的物料或者可能結(jié)塊的物料的干燥；

    （2）可以避免溝流、騰涌和死床現(xiàn)象，獲得均勻的流化狀態(tài)，提高熱質(zhì)傳遞強度。

    近年來攪拌流化床在制藥工業(yè)上得到了相當廣泛的應(yīng)用，其常作為制藥過程的后續(xù)工藝的干燥裝置，以簡化設(shè)備及工藝，降低成本。

    1.4 振動流化床

    隨著多級干燥的發(fā)展，振動流化床（vibrate fluidized bed，VFB）得到應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu)與普通流化床相似，是一種將機械振動加于流化床中的改良產(chǎn)品。物料依靠機械振動和穿孔氣流雙重作用流化，并在振動作用下向前作活塞形式的移動，利用對流、傳導(dǎo)、輻射向料層供給熱量，即可達到干燥的目的。

    振動流化床由于物料的輸送是由振動來完成的，供給的熱風(fēng)只是用來傳熱和傳質(zhì)，因此可以明顯地降低能量消耗。另外，由于床層的強烈振動，傳熱和傳質(zhì)的阻力減小，提高了振動流化床的干燥速率，同時使不易流化或流化時易產(chǎn)生大量夾帶的塊團性或高分散物料也能順利干燥，克服了普通流化床易產(chǎn)生返混、溝流、粘壁等現(xiàn)象。

    1.5 離心式流化床

    離心式流化床是在離心力場中進行流化干燥的一種新型干燥設(shè)備，其原理是在機械轉(zhuǎn)動造成的離心力場作用下使粒狀物料分布在絲網(wǎng)覆蓋的圓筒型多孔壁上，熱氣流穿過多孔壁使之流化干燥。由于離心力場的存在離心加速度可以是重力加速度的幾倍到幾十倍，因此與普通重力流化床相比較，強化了濕分在物料內(nèi)部的遷移過程，干燥時間短，傳熱傳質(zhì)速率高，能夠有效地抑制氣泡的生成及物料的夾帶，對于在重力流化床中難以干燥的低密度、熱敏性、易粘結(jié)的固體物料都可以有效地干燥。

    1.6 脈沖流化床

    針對一些不易流動的物料及干燥溫度不允許超過50～80 ℃的結(jié)晶藥物，發(fā)展了脈沖式流化床。脈沖流化床改變了傳統(tǒng)流化床的恒定送風(fēng)為周期性送風(fēng)，通過調(diào)節(jié)氣流的脈沖頻率或脈沖氣流導(dǎo)通率，使通過孔板的氣體流量或流化區(qū)發(fā)生周期性變化，對物料進行干燥。

    其主要結(jié)構(gòu)特點是在干燥濕底部的周圍裝有幾根熱空氣進口管，在每根熱空氣管上裝有脈沖閥，它們按一定的頻率和次序開啟，開啟時間與床層厚度和物料性能有關(guān)，當氣體突然引進時，在短時間內(nèi)形成一個脈沖，使粒子劇烈流化，促使物料之間進行強烈的傳熱與傳質(zhì)，當閥門關(guān)閉時，床層的流化狀態(tài)逐漸消失，則物料處于靜止狀態(tài)，此時仍通入部分氣體通過床層，以便下一個脈沖能有效地在床中傳遞。

    其優(yōu)點在于：傳熱系數(shù)高，干燥時間短，空氣耗量減少，電能耗量低。脈沖流化床能有效克服溝流、死區(qū)和局部過熱等傳統(tǒng)流化床常見的弊端，因而可用于處理黏性強、易結(jié)團和熱敏性物料，如四環(huán)素類的抗生素。

    1.7 惰性粒子流化床

    惰性粒子流化床干燥器具有將物料蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥和粉碎在同一設(shè)備中完成的特點。此干燥器中預(yù)先裝有直徑為1～2 mm的玻璃珠，其在熱空氣的作用下呈流化狀態(tài)，物料進入流化床內(nèi)，在玻璃珠相互球磨的作用下，迅速被粉碎、干燥。目前，此類流化床干燥器在制藥工業(yè)中的應(yīng)用較少。

    2 流化床干燥設(shè)備存在的問題與解決方法

    經(jīng)過工程技術(shù)人員的共同努力，近年來我國的流化床干燥設(shè)備有了長足的進步。目前國內(nèi)常用的流化床干燥器有：內(nèi)藏?zé)峁苁搅骰?a href='http://www.bhmbl.cn/Product/SSearch_--%E5%B9%B2%E7%87%A5%E6%9C%BA.html' target='_blank'>干燥機、ZLG振動流化床干燥機、沸騰流化床干燥機等。流化床干燥機的結(jié)構(gòu)、性能都有明顯改善，質(zhì)量也在不斷提高，但還存在著一些問題。

    2.1 熱能利用的不充分

    流化床干燥設(shè)備存在熱能利用不充分的問題，導(dǎo)致干燥效率不理想，能耗增加。如果在流化干燥過程中物料和熱空氣接觸不緊密，就存在熱交換不完全的問題，不但降低干燥效率，而且增加能耗。

    德國GEA集團的下屬公司[1]專門設(shè)計了使進氣量更加均勻與平穩(wěn)的篩板，該篩板可以使流化干燥過程中熱交換更加充分和合理，并且降低了加熱空氣產(chǎn)生的能耗，可大幅提升經(jīng)濟效益。瑞士的蘇爾壽公司和日本奈良機械[2]制造的內(nèi)藏?zé)峁苁搅骰哺稍餀C，改變了以往流化床熱量全部由熱風(fēng)帶入的方法，它將管式熱交換器沉浸在流態(tài)化干燥物料中，物料脫水所需熱量分別由埋管熱交換器和流化用熱空氣提供，以較小的風(fēng)量滿足物料流化干燥的要求，由于部分熱量來自管內(nèi)熱介質(zhì)的傳導(dǎo)傳熱，因此大大提高了熱效率，而熱介質(zhì)一般為蒸汽、導(dǎo)熱油等。

    此外我們還可以采用新的加熱技術(shù)或新能源來提高設(shè)備的熱效率。如在床底層埋植換熱管，利用液體潛熱進行噴霧熱交換，采用微波加熱等形式進一步提高流化床干燥設(shè)備的熱效率，從而降低能源損耗，達到經(jīng)濟環(huán)保的目的。

    2.2 被干燥物料濕度的在線監(jiān)測

    流化床干燥過程中還存在無法在線監(jiān)測被干燥物料濕度的問題，如果能夠在干燥過程中在線檢測物料的濕度，便可根據(jù)實際情況調(diào)整參數(shù)，提高干燥的效率。

    K.Seppälä [3]等人設(shè)計了一種在線檢測流化床干燥時物料濕度的裝置，該裝置采用雙比色皿系統(tǒng)，通過測量物料的電導(dǎo)率來檢測物料的濕度，使整個干燥過程處于可控制狀態(tài)。

    此外還有利用重量改變、紅外掃描等技術(shù)對被干燥的物料進行在線濕度檢測的報道[4]，這些方式使流化床的整個干燥過程可以加以適時調(diào)控。

    2.3 干燥結(jié)果的差異性

    目前流化床干燥中普遍存在干燥結(jié)果差異較大的問題：

    （1）同一種物料、不同投料量的干燥結(jié)果存在差異；

    （2）不同種類物料、相同投料量的干燥結(jié)果存在較大差異。

    因此，針對這兩個問題，一般都是對流化床的結(jié)構(gòu)進行改進，使其設(shè)計更為合理，從而增加干燥物料的種類，而且可以提高干燥效率，降低干燥結(jié)果的差異性。

    德國GEA集團[5]針對同一種物料、不同投料量干燥結(jié)果不同的問題，設(shè)計有適用于較小量干燥物料的兩層圓筒型流化床干燥器、適用于中等規(guī)模干燥量的四層串聯(lián)流化床干燥器以及適用于大規(guī)模干燥量的矩形三層流化床干燥器。針對不同種類物料、相同投料量干燥結(jié)果不同的問題，設(shè)計有專門適用于干燥易團聚的固體物料的流化干燥器和適用于液體物料干燥的流化干燥器。

    德國的Glatt公司[6]針對同種物料、不同投料量干燥結(jié)果不同的問題，設(shè)計有間歇型流化床和連續(xù)型流化床，間歇型生產(chǎn)量為2 kg/h～1.5 t/h，連續(xù)型生產(chǎn)量為20 kg/h～5 t/h，此設(shè)計可以有效地解決同種物料、不同投料量干燥結(jié)果不同的問題。

    2.4 特殊物料的干燥穩(wěn)定性

    熱敏感物料、氧敏感的物料以及含溶劑易燃物料的干燥條件要求較高，干燥條件不合理會導(dǎo)致被干燥物料的降解、變質(zhì)。美國的Bepex公司[7]設(shè)計的固定式流化床干燥器是一種較新的適用于熱敏感物料、氧敏感的物料和含溶劑易燃物料干燥的流化干燥設(shè)備。此流化床干燥器中具有多個區(qū)域，可在同一個裝置中進行加熱和冷卻，每個區(qū)域都可以對溫度、露點和流化速度進行獨立控制，通過調(diào)節(jié)每個區(qū)域的圍堰高度，物料在干燥器中的停留時間可相差最多4倍。由于采用較低的蒸汽壓，熱敏感物料可在低于沸點的溫度下進行干燥，并且加入間接傳熱表面，提高干燥能力。

    此外，該設(shè)備使用了能夠?qū)⒍栊詺怏w進行回收的封閉循環(huán)流化床系統(tǒng)，可以處理對氧敏感的物料和含溶劑易燃物料。

    2.5 冷卻系統(tǒng)

    部分流化床干燥設(shè)備缺少冷卻系統(tǒng)，因此冷卻過程一般較長。目前，國內(nèi)外的研究人員和生產(chǎn)商在設(shè)計和制造流化床時，都考慮設(shè)計并采用更為合理和高效的冷卻裝置，使干燥后的物料能迅速冷卻降溫，達到簡化生產(chǎn)過程，或直接包裝的目的。

    3 展望

    目前，國外公司生產(chǎn)的流化床干燥設(shè)備由于采用了先進的技術(shù)而使其生產(chǎn)質(zhì)量得到了較好的保證，我國由于起步晚，流化床干燥設(shè)備與國際先進水平相比有一定的差距，但隨著我國制藥工業(yè)的發(fā)展，在學(xué)習(xí)國外先進技術(shù)和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，選擇特定的突破點，加大自主創(chuàng)新力度，一定可以縮小與國際先進水平的差距。

  摘自---《化工機械行業(yè)網(wǎng)》