干燥技術(shù)第一節(jié)噴霧干燥的程布置和過程階段

1、 原理原理 將溶液、乳濁液、懸濁液或漿料在熱風(fēng)中噴霧成細(xì)小的液滴，在它下落過程中，水分被蒸發(fā)而成為粉末狀或顆粒狀的產(chǎn)品，稱為噴霧干燥噴霧干燥。 在干燥塔頂部導(dǎo)入熱風(fēng)，同時(shí)將料液泵送至塔頂，經(jīng)過霧化器噴成霧狀的液滴，這些液滴群的表面積很大液滴群的表面積很大，與高溫?zé)犸L(fēng)接觸后水分迅速蒸發(fā)，在極短的時(shí)間內(nèi)便成為干燥產(chǎn)品，從干燥塔底部排出。 熱風(fēng)與液滴接觸后溫度顯著降低，濕度增大，它作為廢氣由排風(fēng)機(jī)抽出。廢氣中夾帶的微粉用分離裝置回收。 物料干燥分等速階段和減速階段兩個(gè)部分進(jìn)行。 等速階段等速階段，水分蒸發(fā)是在液滴表面發(fā)生，蒸發(fā)速度由蒸汽通過周圍氣膜的擴(kuò)散速度所控制。主要的推動(dòng)力是周圍熱風(fēng)和液滴的溫度

2、差，溫度差越大蒸發(fā)速度越快，水分通過顆粒的擴(kuò)散速度大于蒸發(fā)速度。 當(dāng)擴(kuò)散速度降低而不能再維持顆粒表面的飽和時(shí)，蒸發(fā)速度開始減慢，干燥進(jìn)入減減速階段速階段。此時(shí)，顆粒溫度開始上升，干燥結(jié)束時(shí)，物料的溫度接近于周圍空氣的溫度。3.1 噴霧干燥的流程布置與過程階段3.1.1 噴霧干燥的流程布置 (1) 開放式噴霧干燥系統(tǒng) 該系統(tǒng)的特征是霧化的料液全部是水溶液，干燥介質(zhì)是環(huán)境的空氣，空氣經(jīng)過干燥器及除塵系統(tǒng)后，排放到大氣中。這是一種標(biāo)準(zhǔn)的流程標(biāo)準(zhǔn)的流程，在工業(yè)上，絕大多數(shù)是這種流程，如圖5-1所示。 (2) 開放式的具有部分廢氣再循環(huán)的噴霧干燥系統(tǒng) 部分廢氣再循環(huán)是為了回收部分廢氣的余熱, 以節(jié)省燃料

3、消耗。再循環(huán)量一般為排放總量的20%30。最高可達(dá)50，視排氣溫度而定。其流程如圖5-2所示。 (3) 閉路循環(huán)噴霧干燥系統(tǒng) 閉路循環(huán)噴霧干燥系統(tǒng)，是基于干燥介質(zhì)為惰性氣體(如N2氣等)的再循環(huán)和再利用。當(dāng)然，特殊情況下也可以用空氣，如空氣四氯化碳系統(tǒng)。 干燥系統(tǒng)部件間連接處要保證氣密性密封，干燥室在低壓(200mmH2O即1.96kPa)下操作。其流程如圖5-3所示。在下述情況下，選用閉路循環(huán)流程在下述情況下，選用閉路循環(huán)流程原料液由固體和有機(jī)溶劑組成；要求有機(jī)溶劑全部回收；干燥有毒的固體粉粒狀產(chǎn)品；不允許氣味、溶劑蒸氣和顆粒狀物質(zhì)的逸出，防止對(duì)環(huán)境大氣造成污染；粉塵在空氣中可能形成爆炸混合

4、物；必須防止有機(jī)溶劑的燃燒和爆炸的危險(xiǎn)；在干燥過程中，由于氧化作用，不允許粉塵和氧接觸。 在流程中，設(shè)置的洗滌一冷凝器，有兩個(gè)目的: 一是冷凝從物料中出來的進(jìn)入惰性氣體中的有機(jī)蒸氣；而洗滌液就是固體中的有機(jī)溶劑； 二是洗滌氣體中的粉塵，防止堵塞加熱器。 (4)半閉路循環(huán)噴霧干燥系統(tǒng)半閉路循環(huán)噴霧干燥系統(tǒng) 這種流程如圖5-4所示。此系統(tǒng)用空氣作干燥介質(zhì)。 這個(gè)系統(tǒng)的部件間連接處是非氣密性的，由系統(tǒng)排放到大氣中的空氣量相當(dāng)于漏入系統(tǒng)的空氣量。 干燥器在微真空(壓力約為-10-30mmH2O，1mmH2O9.80665Pa)下操作。 排放的少量氣體，能夠比較容易處理，一般用作燃燒的空氣。 該系統(tǒng)用于

5、有氣味和有毒的水溶液物料。但是，粉塵沒有爆炸和燃燒的危險(xiǎn)。需要間接加熱，防止粉體(產(chǎn)品)同燃燒產(chǎn)物接觸。 含有毒性顆粒或氣味的少量排放氣體，通過燃燒室的火焰區(qū)域，將其惰性化(即氧化)或脫味，然后排放到大氣中。 (5)自惰化自惰化(self-inertizing)噴霧干燥系統(tǒng)噴霧干燥系統(tǒng) 它也是一個(gè)半閉路循環(huán)系統(tǒng)。此流程如圖5-5所示。 加熱器采用直接燃燒式直接燃燒式，工藝條件允許采用高干燥空氣入口溫度，可以提高干燥器熱效率。 排放的氣體量等于在燃燒室燃燒產(chǎn)生的氣體體積量(大約為總氣體量的1015 ) 。 如果排出的氣體有臭味，還可以將此部分氣體通人燃燒室進(jìn)行燃燒，并回收這部分熱量。 直接燃燒加

6、熱直接燃燒加熱的這種流程，它可以獲得完全燃燒的條件，采用非常少的過量燃燒空氣操作，可以建立起自惰化系統(tǒng)。 該流程用于水溶液物料，干燥產(chǎn)品不能和空氣及氧氣接觸，或有爆炸的危險(xiǎn)，或產(chǎn)生氧化作用，破壞產(chǎn)品質(zhì)量。 該系統(tǒng)的特征就是采用直接燃燒加熱器，燒掉空氣中的氧。用燃燒氣體更可取，容易控制燃燒。在燃燒室中，采用精確調(diào)節(jié)過剩燃燒空氣量，以得到低氧含量的循環(huán)干燥氣流。 一個(gè)自惰化系統(tǒng)，不需要氮?dú)饧捌渌栊詺怏w。系統(tǒng)不需要?dú)饷苄詺夥狻?干燥室在微真空下操作，干燥器附近無粉塵。(6) 無菌的噴霧干燥系統(tǒng)無菌的噴霧干燥系統(tǒng) 制藥工業(yè)需要無菌的噴霧干燥系統(tǒng)。這種流程可以是開放式的，或者是閉路循環(huán)，決定于是水溶液

7、或非水溶液。 系統(tǒng)的全部部件及操作，要防止任何形式的污染。 用改進(jìn)的耐溫的空氣過濾器(空氣為干燥介質(zhì))，無污染的霧化及無污染的粉體排卸系統(tǒng)組合起來，組成無菌的噴霧干燥系統(tǒng)，如圖5-6所示。 特殊設(shè)計(jì)的空氣分布器及干燥室，通過控制霧滴和顆粒的流動(dòng)圖形，達(dá)到室壁清潔的條件。 在開放式的噴霧干燥系統(tǒng)中，干燥空氣進(jìn)入干燥室以前，首先預(yù)過濾后進(jìn)入加熱器，加熱到設(shè)計(jì)溫度，再通過完全過濾器(HEPA過濾器，見圖5-6)。 過濾的水溶液料液，通過一個(gè)無菌過濾器后進(jìn)入霧化器。一般情況下，采用壓力式霧器。 如果壓力式噴嘴不能滿足粉體顆粒尺寸要求時(shí)，可以使用二流體噴嘴，此時(shí)霧化空氣要預(yù)過濾，然后再經(jīng)過完全過濾器過濾

8、。 旋轉(zhuǎn)霧化器，甚至具有密封的潤(rùn)滑系統(tǒng)，對(duì)無菌過程，被認(rèn)為是不適宜的。此外，將與產(chǎn)品接觸的旋轉(zhuǎn)部件，也是被認(rèn)為是不適宜的。 由干燥塔出來的空氣和粉體，采用單點(diǎn)出料方式。 為了防止大氣可能漏入到干燥系統(tǒng)，干燥室和同產(chǎn)品接觸的部件，都要保持微正壓，通過采用一個(gè)風(fēng)機(jī)操作的流程來實(shí)現(xiàn)(見圖5-6)。 同產(chǎn)品接觸的全部部件表面，愈光滑愈好，因此，表面必須拋光。特別是焊縫、視鏡及門的周圍，由于任何一個(gè)變形和裂縫，都可能形成沉積產(chǎn)品的區(qū)域。 噴霧干燥塔的金屬和非金屬的結(jié)構(gòu)材料，都必須進(jìn)行殺菌。 噴霧干燥塔在重新啟動(dòng)以前，必須在規(guī)定溫度下，用熱空氣、水蒸氣或化學(xué)品滅菌。用160的熱空氣時(shí)，需2h，180時(shí)需3

9、0min。用0.2MPa水蒸氣時(shí)，需20min。 系統(tǒng)的過濾器及卸料閥等全部部件，必須按照就地滅菌(SIP)設(shè)計(jì)。 (7) 二級(jí)和三級(jí)干燥流程二級(jí)和三級(jí)干燥流程 上述的全部噴霧干燥流程屬于一級(jí)流程，代表著絕大多數(shù)的噴霧干燥系統(tǒng)。在一般情況下，都能滿足產(chǎn)品質(zhì)量(如顆粒尺寸分布、殘余濕含量、體積密度等)要求。 有時(shí)為了改善產(chǎn)品質(zhì)量和提高干燥器熱效率，這就產(chǎn)生了噴霧干燥和流化床干燥或帶式干燥的組合的二級(jí)和三級(jí)干燥系統(tǒng)。 對(duì)于干燥非常復(fù)雜的產(chǎn)品，技術(shù)要求又非常嚴(yán)格，在一級(jí)流程中很難完成時(shí)，就可采用二級(jí)流程，噴霧干燥作為第一級(jí)干燥器，流化床作為第二級(jí)干燥器，或者作為干燥器和冷卻器，如圖5-7所示。 采用

10、二級(jí)干燥，具有下述優(yōu)點(diǎn)：采用二級(jí)干燥，具有下述優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品濕含量可以非常低；粉粒體產(chǎn)品溫度低；可以改變粉體的尺寸分布(可以團(tuán)聚，可以分級(jí))；提高干燥過程熱效率(見表5-1)。 三級(jí)干燥系統(tǒng)三級(jí)干燥系統(tǒng)在食品工業(yè)應(yīng)用較多，如圖5-8所示。它可以完成要求復(fù)雜的產(chǎn)品，如噴涂造粒、添加一些其他成分等。二級(jí)、三級(jí)干燥和一級(jí)比，不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且還可以節(jié)省能量，見表5-1 。3. .1. .2 噴霧干燥的過程階段噴霧干燥的過程階段 (1) 噴霧干燥的第一階段料液的霧化料液的霧化 料液霧化為霧滴、及霧滴與熱空氣的接觸、混合是噴霧干燥獨(dú)有特征。 霧化的目的在于將料液分散為微細(xì)的霧滴，具有很大的表面積，當(dāng)其

11、與熱空氣接觸時(shí)，霧滴中水分迅速汽化而干燥成粉體或顆粒狀產(chǎn)品。 霧滴的大小和均勻程度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響很大，特別是對(duì)熱敏性物料的干燥尤為重要。如果噴出的霧滴大小很不均勻，就會(huì)出現(xiàn)大顆粒還沒達(dá)到干燥要求，而小顆粒卻已干燥過度而變質(zhì)。 因此，料液霧化所用的霧化器霧化器是噴霧干燥的關(guān)鍵部件。目前常用的霧化器可作如圖5-9所示的分類。 (2) 噴霧干燥的第二階段霧滴和空氣的接霧滴和空氣的接觸觸（接觸、混合、流動(dòng)，即干燥） 霧滴和空氣的接觸、混合與流動(dòng)狀態(tài)決定于熱風(fēng)分布器的結(jié)構(gòu)形式、霧化器在塔內(nèi)的安裝位置及廢氣的排出方式等。 在干燥塔內(nèi)，霧滴空氣流向有并流、逆流及混合并流、逆流及混合流流。霧滴和

12、空氣的接觸方式，對(duì)干燥塔內(nèi)的溫度分布、霧滴(或顆粒)的運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒在干燥塔中的停留時(shí)間及產(chǎn)品性質(zhì)等均有很大影響。 研究霧滴的運(yùn)動(dòng)及干燥過程，主要是確定干燥時(shí)間及干燥塔的主要尺寸。 (3) 噴霧干燥的第三階段干燥產(chǎn)品與空干燥產(chǎn)品與空氣分離氣分離(通常稱為氣一固分離) 噴霧干燥產(chǎn)品，大多數(shù)都是采用塔底出料。部分細(xì)粉夾帶在排放的廢氣中，這些細(xì)粉在廢氣排放前必須收集下來，以提高產(chǎn)品收率，降低生產(chǎn)成本；排放的廢氣必須符合環(huán)境保護(hù)的排放標(biāo)準(zhǔn)，以防止環(huán)境污染。 噴霧干燥常用的氣一固分離方法，可有下列幾種方可有下列幾種方式：式：只用旋風(fēng)分離器；只用袋式過濾器；只用靜電除塵器；旋風(fēng)與布袋的組合；旋風(fēng)與濕法除塵的組合。采用何種方式，決定于工藝要求(包括環(huán)保要求等)。3.1.3噴霧干燥的優(yōu)缺點(diǎn)噴霧干燥的優(yōu)缺點(diǎn) 工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐證明，在當(dāng)代，噴霧干燥是一個(gè)非常重要的工業(yè)干燥操作。它的工業(yè)應(yīng)用非常廣泛，幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的每一個(gè)部門。噴霧干燥的優(yōu)點(diǎn)噴霧干燥的優(yōu)點(diǎn)只要干燥條件保持恒定，干燥產(chǎn)品特性就保持恒定。產(chǎn)品質(zhì)量好，含水量5%。噴霧