流化床干燥設(shè)備進(jìn)展研究

摘 要：流化床干燥器因具有較高的熱質(zhì)傳遞速率、結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于化工、食品、陶瓷、制藥等行業(yè)，就流化床干燥設(shè)備的種類(lèi)及普遍存在的一些問(wèn)題和解決方法做一簡(jiǎn)要綜述。
關(guān)鍵詞：干燥；臥式多室流化床；攪拌流化床；振動(dòng)流化床；離心式流化床；脈沖流化床

　　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(guó)建立的多爾—奧列弗固體流化裝置，而我國(guó)直到1958年后才開(kāi)始發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)。流化床干燥過(guò)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(jìn)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(shí)間可調(diào)、投資費(fèi)用低廉和維修工作量較小等優(yōu)點(diǎn)，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(lèi)

　　流化床干燥設(shè)備在不到100年的時(shí)間里，經(jīng)過(guò)科研人員的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。其種類(lèi)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：?jiǎn)螌雍投鄬訄A筒型流化型、臥式多室流化型、攪拌流化型、振動(dòng)流化型、離心式流化型、脈沖流化型等類(lèi)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(gè)干燥過(guò)程為：濕物料由皮帶輸送機(jī)運(yùn)送到拋料加料機(jī)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(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)、加熱器后進(jìn)入篩板底部，向上穿過(guò)篩板，使床層內(nèi)濕物料流化起來(lái)形成流化層。尾氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器組，將所夾帶的細(xì)粉除下，然后由排氣機(jī)排到大氣中。此干燥器操作簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度低、勞動(dòng)條件好、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)。

　　但是由于單層圓筒流化床直徑較小，物料停留時(shí)間較長(zhǎng)，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(shí)間。為了對(duì)物料進(jìn)行內(nèi)擴(kuò)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(gè)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(zhǎng)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(diǎn)，為克服這些缺點(diǎn)，20世紀(jì)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(jiǎn)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(shuō)，臥式多室流化床干燥器相當(dāng)于多個(gè)方形界面流化床串聯(lián)系統(tǒng)。

其主要特點(diǎn)：
（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(shí)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(jìn)行，簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)有幾十個(gè)工廠用此設(shè)備來(lái)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(duì)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(tuán)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(tuán)狀或塊狀的物料及時(shí)打碎，以利于形成流化，這種裝備有攪拌器的流化床稱(chēng)為攪拌流化床。

其優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)度。

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

1.4 振動(dòng)流化床
　　隨著多級(jí)干燥的發(fā)展，振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)加于流化床中的改良產(chǎn)品。物料依靠機(jī)械振動(dòng)和穿孔氣流雙重作用流化，并在振動(dòng)作用下向前作活塞形式的移動(dòng)，利用對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射向料層供給熱量，即可達(dá)到干燥的目的。

　　振動(dòng)流化床由于物料的輸送是由振動(dòng)來(lái)完成的，供給的熱風(fēng)只是用來(lái)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(qiáng)烈振動(dòng)，傳熱和傳質(zhì)的阻力減小，提高了振動(dòng)流化床的干燥速率，同時(shí)使不易流化或流化時(shí)易產(chǎn)生大量夾帶的塊團(tuán)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(chǎng)中進(jìn)行流化干燥的一種新型干燥設(shè)備，其原理是在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)造成的離心力場(chǎng)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(guò)多孔壁使之流化干燥。由于離心力場(chǎng)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(qiáng)化了濕分在物料內(nèi)部的遷移過(guò)程，干燥時(shí)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(duì)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(duì)一些不易流動(dòng)的物料及干燥溫度不允許超過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)氣流的脈沖頻率或脈沖氣流導(dǎo)通率，使通過(guò)孔板的氣體流量或流化區(qū)發(fā)生周期性變化，對(duì)物料進(jìn)行干燥。

　　其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在干燥濕底部的周?chē)b有幾根熱空氣進(jìn)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(kāi)啟，開(kāi)啟時(shí)間與床層厚度和物料性能有關(guān)，當(dāng)氣體突然引進(jìn)時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)脈沖，使粒子劇烈流化，促使物料之間進(jìn)行強(qiáng)烈的傳熱與傳質(zhì)，當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，床層的流化狀態(tài)逐漸消失，則物料處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)仍通入部分氣體通過(guò)床層，以便下一個(gè)脈沖能有效地在床中傳遞。

　　其優(yōu)點(diǎn)在于：傳熱系數(shù)高，干燥時(shí)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(guò)熱等傳統(tǒng)流化床常見(jiàn)的弊端，因而可用于處理黏性強(qiáng)、易結(jié)團(tuán)和熱敏性物料，如四環(huán)素類(lèi)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(diǎn)。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(jìn)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(lèi)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(wèn)題與解決方法

　　經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員的共同努力，近年來(lái)我國(guó)的流化床干燥設(shè)備有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前國(guó)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(jī)、ZLG振動(dòng)流化床干燥機(jī)、沸騰流化床干燥機(jī)等。流化床干燥機(jī)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(wèn)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(wèn)題，導(dǎo)致干燥效率不理想，能耗增加。如果在流化干燥過(guò)程中物料和熱空氣接觸不緊密，就存在熱交換不完全的問(wèn)題，不但降低干燥效率，而且增加能耗。

　　德國(guó)GEA集團(tuán)的下屬公司[1]專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了使進(jìn)氣量更加均勻與平穩(wěn)的篩板，該篩板可以使流化干燥過(guò)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(jì)效益。瑞士的蘇爾壽公司和日本奈良機(jī)械[2]制造的內(nèi)藏?zé)峁苁搅骰哺稍餀C(jī)，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(mǎn)足物料流化干燥的要求，由于部分熱量來(lái)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(lái)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(jìn)行噴霧熱交換，采用微波加熱等形式進(jìn)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(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目的。

2.2 被干燥物料濕度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)
　　流化床干燥過(guò)程中還存在無(wú)法在線(xiàn)監(jiān)測(cè)被干燥物料濕度的問(wèn)題，如果能夠在干燥過(guò)程中在線(xiàn)檢測(cè)物料的濕度，便可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)，提高干燥的效率。

　　K.Seppälä [3]等人設(shè)計(jì)了一種在線(xiàn)檢測(cè)流化床干燥時(shí)物料濕度的裝置，該裝置采用雙比色皿系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量物料的電導(dǎo)率來(lái)檢測(cè)物料的濕度，使整個(gè)干燥過(guò)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(duì)被干燥的物料進(jìn)行在線(xiàn)濕度檢測(cè)的報(bào)道[4]，這些方式使流化床的整個(gè)干燥過(guò)程可以加以適時(shí)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(wèn)題：

　?。?）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(lèi)物料、相同投料量的干燥結(jié)果存在較大差異。

　　因此，針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，一般都是對(duì)流化床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其設(shè)計(jì)更為合理，從而增加干燥物料的種類(lèi)，而且可以提高干燥效率，降低干燥結(jié)果的差異性。

　　德國(guó)GEA集團(tuán)[5]針對(duì)同一種物料、不同投料量干燥結(jié)果不同的問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(duì)不同種類(lèi)物料、相同投料量干燥結(jié)果不同的問(wèn)題，設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)適用于干燥易團(tuán)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(guó)的Glatt公司[6]針對(duì)同種物料、不同投料量干燥結(jié)果不同的問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(jì)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(wèn)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(huì)導(dǎo)致被干燥物料的降解、變質(zhì)。美國(guó)的Bepex公司[7]設(shè)計(jì)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(gè)區(qū)域，可在同一個(gè)裝置中進(jìn)行加熱和冷卻，每個(gè)區(qū)域都可以對(duì)溫度、露點(diǎn)和流化速度進(jìn)行獨(dú)立控制，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)區(qū)域的圍堰高度，物料在干燥器中的停留時(shí)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(diǎn)的溫度下進(jìn)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(jìn)行回收的封閉循環(huán)流化床系統(tǒng)，可以處理對(duì)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(guò)程一般較長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)外的研究人員和生產(chǎn)商在設(shè)計(jì)和制造流化床時(shí)，都考慮設(shè)計(jì)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(dá)到簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，或直接包裝的目的。

3 展望
　　目前，國(guó)外公司生產(chǎn)的流化床干燥設(shè)備由于采用了先進(jìn)的技術(shù)而使其生產(chǎn)質(zhì)量得到了較好的保證，我國(guó)由于起步晚，流化床干燥設(shè)備與國(guó)際先進(jìn)水平相比有一定的差距，但隨著我國(guó)制藥工業(yè)的發(fā)展，在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇特定的突破點(diǎn)，加大自主創(chuàng)新力度，一定可以縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。<陳箐清  呂慧俠  周建平>

［參考文獻(xiàn)］
[1]  Fluid Bed Drying[w]，http://www.niro.com/niro/CMSDoc.nsf/WebDoc/ndkk5hvebsFluidBedDryers
[2]  Fluid Bed Dryer[w], http://www.barr-rosin.com/products/fluid-bed-dryer.asp
[3]  K.Seppälä，T. Närvänen，O. Antikainen，H. Räikkönen，J. Heinämäki，J. Yliruus.A new method for on-line measurement of moisture content during fluid-bed granulation. european journal of pharmaceutical sciences[J]，doi:10.1016/j.ejps.2008.02.085
[4]  Caroline Buschmüller，Wolfgang Wiedey，Claas Döscher et al. In-line monitoring of granule moisture in fluidized-bed dryers using microwave resonance technology. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics[J]，2008，(69)：380～387
[5]  CONTACT FLUIDIZERTM CFD[w]， http://www.niro.com/niro/CMSDoc.nsf/WebDoc/ndkk5hvecqCONTACTFLUIDIZERF
[6]  Fluid bed drying[w]，http://www.glatt.com/e/01_technologien/01_04_10.htm
[7]  FLUID BED DRYER[w]，http://www.bepex.com/fluidbeddryer.htm