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浅谈沸腾干燥机的发展及改进建议

    在固体制剂的生产工艺中,沸腾干燥机是经常被选用的设备。沸腾干燥具有传热效果良好、生产能力大、温度分布均匀、操作形式多样、物料停留时间可调、投资费用低廉和维修工作量较小等优点。在国内经过30多年的使用与改进,已显示出其在干燥领域的独特地位,目前在制药、化工、食品等方面越来越体现出它的重要作用。

1.沸腾干燥机的工作原理
    沸腾干燥又称流化床干燥,它是利用经过滤后的洁净空气,经热交换器的对流换热,使空气温度上升到一定值进入主机分风筒,经阀片分配进入沸腾器,湿物料从加料器进入干燥器。由于风压作用,物料在干燥器内形成沸腾状态,使热空气与物料进行充分接触,增强了传热传质过程,在较短的时间内促使物料中的水分蒸发分离。物料干燥后由排料口排出,废气由沸腾床顶部排出,经旋风除尘器和布袋除尘器回收固体粉料后排空。

2.沸腾干燥机的工作流程

    物料通过料车运送到沸腾床,在气缸顶升作用下通过密封圈与沸腾床密封。然后,空气在引风机动力作用下,经过滤装置净化、散热器加热后,再经气流分布板(筛网)分配进入沸腾床(干燥室)。料斗内的物料在热风和搅拌作用下形成沸腾状态(即流态化),在大面积气、固两相接触中,物料内部的水分(或溶剂)在较短的时间内蒸发并随排出空气带走,物料被干燥。

3.沸腾干燥机的技术特点

(1)传热效果良好,床层内温度比较均匀,具有很高的热容量系数(或体积传热系数),生产能力大;

(2)由于流化床内温度分布均匀,可避免产品的任何局部过热,所以特别适用于某些热敏物料的干燥(如磨芋、聚丙烯酰胺等);

(3)在同一设备内可以进行连续操作,也可进行间歇操作;

(4)物料在干燥器内的停留时间可以按需要进行调整,所以产品含水率稳定;

(5)独立电气柜和PLC人机交互操作控制,集成了所有干燥参数设置,操作安全方便;

(6)干燥装置机械传动部件少,设备的投资费用低廉,维修工作量较小。

4.对沸腾干燥机的改进建议

    经过长期的应用和发展,沸腾干燥机在结构、性能方面都有了明显的改善,质量也在不断提高,但还存在着一些问题,下面结合生产实践提出改进建议:

4.1对热能利用不充分的改进建议

    沸腾干燥机从形式上来说是一种空气对流干燥设备,与传导型干燥设备相比,能耗确实要大一些,但如果采取一些措施,则可以达到很好的节能效果。建议:(1)加强设备的密封效果。目前大多数沸腾干燥机料斗与设备本体采用平面法兰连接,密封效果较差,建议设计时改用凹凸面法兰连接;进口泵 (2)干燥器不少都采用钢管缠绕翅片进行换热,钢管虽可节约材料成本,但换热效果不好,建议改用铜管;(3)增加保温措施。对热交换器的外壳添加保温层,减少热能损失。

4.2关于气流分布板(筛网)的改进建议

    沸腾干燥机中的气流分布板有两个作用,一是支承物料层,二是使气体分布均匀。分布板开孔的大小、形状、分布态势、开孔率等都对流体的分布起着至关重要的影响。气体分布不均匀,会使床层中出现“环流”,其趋于极端易使床层中某些部位出现“沟流”,而其余部位则是死床,这时大部分气体顺着床层中的某些通道以“沟流”的形式短路通过床层离去,使气固接触大为恶化,这是应该着力避免的。良好的分布板设计,应能抑制床层中出现不均匀性,即当床层中某些部位由于压降降低、气流速度增高时,分布板所产生的阻力应能抑制气流的增加,从而抑制流化的恶化。目前大部分沸腾干燥机使用的气流分布板形式单一,多采用垂直的打孔板或席形网板,物料在流化过程中很容易出现流化不均或产生死角等问题,不能确保颗粒中药品的均匀度,同时单一的开孔形式也不能满足不同药品的生产工艺要求。另一方面,为了减少药品的漏料损失,目前普遍采用多层网结构,气流分布板和沸腾床体多采用大量螺栓固定,拆卸不方便,不易清洗干净而产生残留引起交叉污染等问题。建议:利用计算机流体动力学模型、传热与传质模型,在气流分布板设计时对孔距、孔径、开孔率等参数进行空气动力学、热力学仿真计算并验证,以满足不同物料的生产工艺要求。在安装方式上,连接方式制成可拆卸式,以确保实现快装和彻底、完全的清洗。

4.3对控制系统的改进建议
    目前,流化床类设备的操作参数一般以操作人员的经验设定为主,但其完全可以实现智能化,对工艺参数也可以实现追溯,这就对流化床类设备的电气控制系统提出了较高要求。在电气控制系统中,需要有检测温度、湿度、压力、压差、风速、操作时间、粉尘浓度等一系列装置并得到基础数据,然后通过变送器输送和存储到触摸屏中,由触摸屏对数据进行储存分析,然后制定一个合适的工艺路线,即可实现智能化控制。

4.4温度控制

    常用热风加热控制方式采用简单的“开”、“关”模式,当温度达到设定值时停止通汽,但换热器仍然有余热使空气温度继续上升,反之亦然,这样会造成温度波动过大,影响设备的干燥质量。建议:通过控制蒸汽流量的大小来保持进风温度的高低,开始升温时蒸汽流量较大,使进风温度尽快接近设定值,然后自动调节蒸汽量使其缓缓接近设定值,最后保持稳定的蒸汽量使进风温度保持稳定。
    本文从沸腾干燥机的工作原理等入手,结合工艺操作参总结了生产过程中的一些问题,并简要提出了该类设备改进的建议,希望设备生产厂家今后能研发出更多的能满足制药生产过程工艺要求、性能参数指标先进、可操作性强、环保、节能及经济技术指标先进的制药干燥设备。