流化床干燥设备进展的研究(2010年9月15日)

摘 要：流化床干燥器因具有较高的热质传递速率、结构紧凑、便于操作等优点而被广泛用于化工、食品、陶瓷、制药等行业，就流化床干燥设备的种类及普遍存在的一些问题和解决方法做一简要综述。 关键词：干燥；卧式多室流化床；搅拌流化床；振动流化床；离心式流化床；脉冲流化床 流化技术起源于1921年，最早应用于干燥工业化大生产是1948年美国建立的多尔—奥列弗固体流化装置，而我国直到1958年后才开始发展此项技术。流化床干燥过程中散状物料被置于孔板上，下部输送气体，使物料颗粒呈悬浮状态，犹如液体沸腾一样，使得物料颗粒与气体充分接触，进行快速的热传递与水分传递。流化干燥由于具有传热效果良好、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，得到了广泛的发展和应用。 1 流化床干燥设备的分类 流化床干燥设备在不到100年的时间里，经过科研人员的不断改进和创新，得到了长足的发展和广泛的应用。其种类很多，根据待干燥物料性质的不同，所采用的流化床也不同，按其结构大致可分为：单层和多层圆筒型流化型、卧式多室流化型、搅拌流化型、振动流化型、离心式流化型、脉冲流化型等类型。 1.1 单层和多层圆筒型流化床 最早应用的流化床为单层圆筒型，其材料为普通碳钢内涂环氧酚醛防腐层，气体分布板是多孔筛板，板上小孔半径1.5 mm，正六角形排列。 整个干燥过程为：湿物料由皮带输送机运送到抛料加料机上，然后均匀地抛入流化床内，与热空气充分接触而被干燥，干燥后的物料由溢流口连续溢出。空气进入鼓风机、加热器后进入筛板底部，向上穿过筛板，使床层内湿物料流化起来形成流化层。尾气进入旋风分离器组，将所夹带的细粉除下，然后由排气机排到大气中。此干燥器操作简单、劳动强度低、劳动条件好、运转周期长。 但是由于单层圆筒流化床直径较小，物料停留时间较长，干燥后所得产品湿度不均匀。因此发展了多层流化床，该流化床不仅可以提高效率，更重要的是能够得到较为均匀的停留分布时间。为了对物料进行内扩散控制，多层流化床还先后经历了溢流管式、下流管式和穿流板式3个阶段。多层流化床的物料干燥程度均匀，干燥质量易于控制。热效率较高，适用于降速干燥阶段较长的物料以及湿含量较高（水分含量＞14%）的物料的干燥。 1.2 卧式多室流化床 由于多层流化床还是存在操作困难、床层阻力大和结构复杂等缺点，为克服这些缺点，20世纪60年代末70年代初发展了一种卧式多室流化床。该设备结构简单、操作方便，适用于各种难干燥的粉粒状物和热敏性物料的干燥。可以说，卧式多室流化床干燥器相当于多个方形界面流化床串联系统。 其主要特点： （1）在相邻隔室间安装挡板，从而可制得均匀干燥的产品，改善了物料停留时间的分布； （2）物料的冷却和干燥可结合在同一设备中进行，简化了流程和设备； （3）由于分隔成多室，可以调节各室的空气量，增加的挡板可避免物料走短路排出。 该设备在制药工业中推广较快，目前国内有几十个工厂用此设备来干燥各种片剂颗粒药物、粉粒状物料以及片状物料。如果在操作上对各室的风量、气温加以调节，或将最末几室的热空气二次利用，或在床内添加内加热器等，还可提高热效率。 1.3 搅拌流化床 为了使某些湿颗粒物料或已凝聚成团的物料亦能采用流化干燥技术，研究人员在加料口附近装备床内搅拌叶片，使呈团状或块状的物料及时打碎，以利于形成流化，这种装备有搅拌器的流化床称为搅拌流化床。 其优点在于： （1）适合于湿含量较大、在热气流中不易分散的物料或者可能结块的物料的干燥； （2）可以避免沟流、腾涌和死床现象，获得均匀的流化状态，提高热质传递强度。 近年来搅拌流化床在制药工业上得到了相当广泛的应用，其常作为制药过程的后续工艺的干燥装置，以简化设备及工艺，降低成本。 1.4 振动流化床 随着多级干燥的发展，振动流化床（vibrate fluidized bed，VFB）得到应用，其基本结构与普通流化床相似，是一种将机械振动加于流化床中的改良产品。物料依靠机械振动和穿孔气流双重作用流化，并在振动作用下向前作活塞形式的移动，利用对流、传导、辐射向料层供给热量，即可达到干燥的目的。 振动流化床由于物料的输送是由振动来完成的，供给的热风只是用来传热和传质，因此可以明显地降低能量消耗。另外，由于床层的强烈振动，传热和传质的阻力减小，提高了振动流化床的干燥速率，同时使不易流化或流化时易产生大量夹带的块团性或高分散物料也能顺利干燥，克服了普通流化床易产生返混、沟流、粘壁等现象。 1.5 离心式流化床 离心式流化床是在离心力场中进行流化干燥的一种新型干燥设备，其原理是在机械转动造成的离心力场作用下使粒状物料分布在丝网覆盖的圆筒型多孔壁上，热气流穿过多孔壁使之流化干燥。由于离心力场的存在离心加速度可以是重力加速度的几倍到几十倍，因此与普通重力流化床相比较，强化了湿分在物料内部的迁移过程，干燥时间短，传热传质速率高，能够有效地抑制气泡的生成及物料的夹带，对于在重力流化床中难以干燥的低密度、热敏性、易粘结的固体物料都可以有效地干燥。 1.6 脉冲流化床 针对一些不易流动的物料及干燥温度不允许超过50～80 ℃的结晶药物，发展了脉冲式流化床。脉冲流化床改变了传统流化床的恒定送风为周期性送风，通过调节气流的脉冲频率或脉冲气流导通率，使通过孔板的气体流量或流化区发生周期性变化，对物料进行干燥。 其主要结构特点是在干燥湿底部的周围装有几根热空气进口管，在每根热空气管上装有脉冲阀，它们按一定的频率和次序开启，开启时间与床层厚度和物料性能有关，当气体突然引进时，在短时间内形成一个脉冲，使粒子剧烈流化，促使物料之间进行强烈的传热与传质，当阀门关闭时，床层的流化状态逐渐消失，则物料处于静止状态，此时仍通入部分气体通过床层，以便下一个脉冲能有效地在床中传递。 其优点在于：传热系数高，干燥时间短，空气耗量减少，电能耗量低。脉冲流化床能有效克服沟流、死区和局部过热等传统流化床常见的弊端，因而可用于处理黏性强、易结团和热敏性物料，如四环素类的抗生素。 1.7 惰性粒子流化床 惰性粒子流化床干燥器具有将物料蒸发、结晶、干燥和粉碎在同一设备中完成的特点。此干燥器中预先装有直径为1～2 mm的玻璃珠，其在热空气的作用下呈流化状态，物料进入流化床内，在玻璃珠相互球磨的作用下，迅速被粉碎、干燥。目前，此类流化床干燥器在制药工业中的应用较少。 2 流化床干燥设备存在的问题与解决方法 经过工程技术人员的共同努力，近年来我国的流化床干燥设备有了长足的进步。目前国内常用的流化床干燥器有：内藏热管式流化床干燥机、ZLG振动流化床干燥机、沸腾流化床干燥机等。流化床干燥机的结构、性能都有明显改善，质量也在不断提高，但还存在着一些问题。 2.1 热能利用的不充分 流化床干燥设备存在热能利用不充分的问题，导致干燥效率不理想，能耗增加。如果在流化干燥过程中物料和热空气接触不紧密，就存在热交换不完全的问题，不但降低干燥效率，而且增加能耗。 德国GEA集团的下属公司[1]专门设计了使进气量更加均匀与平稳的筛板，该筛板可以使流化干燥过程中热交换更加充分和合理，并且降低了加热空气产生的能耗，可大幅提升经济效益。瑞士的苏尔寿公司和日本奈良机械[2]制造的内藏热管式流化床干燥机，改变了以往流化床热量全部由热风带入的方法，它将管式热交换器沉浸在流态化干燥物料中，物料脱水所需热量分别由埋管热交换器和流化用热空气提供，以较小的风量满足物料流化干燥的要求，由于部分热量来自管内热介质的传导传热，因此大大提高了热效率，而热介质一般为蒸汽、导热油等。 此外我们还可以采用新的加热技术或新能源来提高设备的热效率。如在床底层埋植换热管，利用液体潜热进行喷雾热交换，采用微波加热等形式进一步提高流化床干燥设备的热效率，从而降低能源损耗，达到经济环保的目的。 2.2 被干燥物料湿度的在线监测 流化床干燥过程中还存在无法在线监测被干燥物料湿度的问题，如果能够在干燥过程中在线检测物料的湿度，便可根据实际情况调整参数，提高干燥的效率。 K.Seppälä [3]等人设计了一种在线检测流化床干燥时物料湿度的装置，该装置采用双比色皿系统，通过测量物料的电导率来检测物料的湿度，使整个干燥过程处于可控制状态。 此外还有利用重量改变、红外扫描等技术对被干燥的物料进行在线湿度检测的报道[4]，这些方式使流化床的整个干燥过程可以加以适时调控。 2.3 干燥结果的差异性 目前流化床干燥中普遍存在干燥结果差异较大的问题： （1）同一种物料、不同投料量的干燥结果存在差异； （2）不同种类物料、相同投料量的干燥结果存在较大差异。 因此，针对这两个问题，一般都是对流化床的结构进行改进，使其设计更为合理，从而增加干燥物料的种类，而且可以提高干燥效率，降低干燥结果的差异性。 德国GEA集团[5]针对同一种物料、不同投料量干燥结果不同的问题，设计有适用于较小量干燥物料的两层圆筒型流化床干燥器、适用于中等规模干燥量的四层串联流化床干燥器以及适用于大规模干燥量的矩形三层流化床干燥器。针对不同种类物料、相同投料量干燥结果不同的问题，设计有专门适用于干燥易团聚的固体物料的流化干燥器和适用于液体物料干燥的流化干燥器。 德国的Glatt公司[6]针对同种物料、不同投料量干燥结果不同的问题，设计有间歇型流化床和连续型流化床，间歇型生产量为2 kg/h～1.5 t/h，连续型生产量为20 kg/h～5 t/h，此设计可以有效地解决同种物料、不同投料量干燥结果不同的问题。 2.4 特殊物料的干燥稳定性 热敏感物料、氧敏感的物料以及含溶剂易燃物料的干燥条件要求较高，干燥条件不合理会导致被干燥物料的降解、变质。美国的Bepex公司[7]设计的固定式流化床干燥器是一种较新的适用于热敏感物料、氧敏感的物料和含溶剂易燃物料干燥的流化干燥设备。此流化床干燥器中具有多个区域，可在同一个装置中进行加热和冷却，每个区域都可以对温度、露点和流化速度进行独立控制，通过调节每个区域的围堰高度，物料在干燥器中的停留时间可相差最多4倍。由于采用较低的蒸汽压，热敏感物料可在低于沸点的温度下进行干燥，并且加入间接传热表面，提高干燥能力。 此外，该设备使用了能够将惰性气体进行回收的封闭循环流化床系统，可以处理对氧敏感的物料和含溶剂易燃物料。