沸騰干燥機的應用改進

    在固體制劑的生產工藝中，沸騰干燥機是經常被選用的設備。沸騰干燥具有傳熱效果良好、生產能力大、溫度分布均勻、操作形式多樣、物料停留時間可調、投資費用低廉和維修工作量較小等優點。在國內經過30多年的使用與改進，已顯示出其在干燥領域的獨特地位，目前在制藥、化工、食品等方面越來越體現出它的重要作用。  


    1沸騰干燥機的工作原理、流程與特點 

    1.1工作原理 

    沸騰干燥又稱流化床干燥，它利用熱空氣流使濕顆粒懸浮，流態化的沸騰使物料進行熱交換，通過熱空氣把蒸發的水分或有機溶媒帶走，其采用熱風流動對物料進行氣—固二相懸浮接觸的質熱傳遞方式，達到濕顆粒干燥的目的[1]。流化床干燥技術涉及傳熱和傳質兩個相互過程。在對流干燥過程中，熱空氣通過與濕物料接觸將熱能傳至物料表面，再由表面傳至物料內部，這是一個傳熱過程;而濕物料受熱后，表面水分首先氣化，而內部水分以液態或氣態擴散到物料表面，并不斷氣化到空氣中，使物料的水分逐漸降低，完成干燥，這是一個傳質過程。 

    1.2工作流程 

    物料通過料車運送到沸騰床，在氣缸頂升作用下通過密封圈與沸騰床密封。然后，空氣在引風機動力作用下，經過濾裝置凈化、散熱器加熱后，再經氣流分布板(篩網)分配進入沸騰床(干燥室)。料斗內的物料在熱風和攪拌作用下形成沸騰狀態(即流態化)，在大面積氣、固兩相接觸中，物料內部的水分(或溶劑)在較短的時間內蒸發并隨排出空氣帶走，物料被干燥。 

    1.3技術特點 

    (1)傳熱效果良好，床層內溫度比較均勻，具有很高的熱容量系數(或體積傳熱系數)，生產能力大; 

    (2)由于流化床內溫度分布均勻，可避免產品的任何局部過熱，所以特別適用于某些熱敏物料的干燥(如磨芋、聚丙烯酰胺等); 

    (3)在同一設備內可以進行連續操作，也可進行間歇操作; 

    (4)物料在干燥器內的停留時間可以按需要進行調整，所以產品含水率穩定; 

    (5)獨立電氣柜和PLC人機交互操作控制，集成了所有干燥參數設置，操作安全方便; 

    (6)干燥裝置機械傳動部件少，設備的投資費用低廉，維修工作量較小。 

    2對沸騰干燥機的改進建議 

    經過長期的應用和發展，沸騰干燥機在結構、性能方面都有了明顯的改善，質量也在不斷提高，但還存在著一些問題，下面結合生產實踐提出改進建議： 

    2.1對熱能利用不充分的改進建議 

    沸騰干燥機從形式上來說是一種空氣對流干燥設備，與傳導型干燥設備相比，能耗確實要大一些，但如果采取一些措施，則可以達到很好的節能效果。建議：(1)加強設備的密封效果。目前大多數沸騰干燥機料斗與設備本體采用平面法蘭連接，密封效果較差，建議設計時改用凹凸面法蘭連接;進口泵卡斯特紅酒(2)干燥器不少都采用鋼管纏繞翅片進行換熱，鋼管雖可節約材料成本，但換熱效果不好，建議改用銅管;(3)增加保溫措施。對熱交換器的外殼添加保溫層，減少熱能損失。 

   2.2對捕集除塵裝置的改進建議 

    能夠順利進行流化工藝操作的基本條件是物料具有良好的流化狀態，高效率的過濾除塵器使這種狀態得以延續。過濾除塵器的除塵效率很大程度上決定了沸騰效果。目前使用的除塵方式主要有抖袋除塵和脈沖反吹除塵兩種。 

    2.2.1抖袋除塵 

    通過氣缸的往復運動實現捕集袋的搖振而達到除塵效果，其布袋采用防靜電、無纖維脫落布制作，捕集袋采用整體吊裝的形式。問題是布袋過濾器拆裝不方便，吊筋選材不太合理容易引起變形，導致密封不嚴，也會引起跑粉和風量的變化，既污染了環境，又降低了產品收率。建議：過濾袋采用卡箍連接方式進行連接，吊筋選用不易變形的剛性材料，同時定期檢查更換布袋。 

    2.2.2脈沖反吹除塵 

    隨著國產電磁閥技術的進一步提高與價位的進一步降低，脈沖反吹除塵逐漸成為捕集裝置的主流。目前采用的濾芯主要有布袋和不銹鋼燒結網兩種。其中，不銹鋼燒結網濾芯是唯一對任何物料收率均能保證達到99%以上的產品。由于現在清洗技術的難題已基本解決，不銹鋼燒結網濾芯在收率和使用壽命方面的優勢逐步顯現，藥廠使用也越來越多。 

    另外，隨著環境保護的要求越來越高，建議完善除塵系統，增加二次除塵裝置。 

    2.3關于氣流分布板(篩網)的改進建議 

    沸騰干燥機中的氣流分布板有兩個作用，一是支承物料層，二是使氣體分布均勻。分布板開孔的大小、形狀、分布態勢、開孔率等都對流體的分布起著至關重要的影響。氣體分布不均勻，會使床層中出現“環流”，其趨于極端易使床層中某些部位出現“溝流”，而其余部位則是死床，這時大部分氣體順著床層中的某些通道以“溝流”的形式短路通過床層離去，使氣固接觸大為惡化，這是應該著力避免的。良好的分布板設計，應能抑制床層中出現不均勻性，即當床層中某些部位由于壓降降低、氣流速度增高時，分布板所產生的阻力應能抑制氣流的增加，從而抑制流化的惡化。 

    目前大部分沸騰干燥機使用的氣流分布板形式單一，多采用垂直的打孔板或席形網板，物料在流化過程中很容易出現流化不均或產生死角等問題，不能確保顆粒中藥品的均勻度，同時單一的開孔形式也不能滿足不同藥品的生產工藝要求。另一方面，為了減少藥品的漏料損失，目前普遍采用多層網結構，氣流分布板和沸騰床體多采用大量螺栓固定，拆卸不方便，不易清洗干凈而產生殘留引起交叉污染等問題。建議：利用計算機流體動力學模型、傳熱與傳質模型，在氣流分布板設計時對孔距、孔徑、開孔率等參數進行空氣動力學、熱力學仿真計算并驗證，以滿足不同物料的生產工藝要求。在安裝方式上，連接方式制成可拆卸式，以確保實現快裝和徹底、完全的清洗。 

    2.4對完善進風空氣處理的建議 

    熱空氣的采風口一般設置在輔機房，和加熱裝置、消音器安裝在一起，輔機房與潔凈區不設置直通的門窗，輔機房的空氣潔凈級別往往比較低，會影響藥用熱空氣的質量，這就要求設備本身有良好的凈化裝置，否則未凈化的空氣會污染藥品，難以達到GMP要求。    目前國內許多設備對空氣處理單元的配置為：初效過濾器—中效過濾器—蒸汽加熱(或電加熱)—(亞)高效過濾器。空氣處理系統雖然配置了初、中、高效過濾器，但隨著運行時間的不斷增加，高效過濾器會出現堵塞或者破損，目前只能從外觀上來鑒別判斷是否需要更換，缺乏理論依據。提早更換會增加成本，推遲更換又會帶來空氣質量下降的風險，從而影響產品的質量。建議：在高效過濾器前后增加壓差顯示裝置，當壓差到達一定的數值后報警提示更換。 

    此外，大多設備沒有除濕裝置，空氣除濕問題始終存在，特別是在春末和夏季，空氣濕度很大，如果不進行除濕會對物料的干燥產生很大影響。建議：增加除濕裝置。 

    許多設備的引風機與風閥不聯動，這可能會導致在風機停機和蝶閥關閉之間引起空氣倒流的現象。建議：風機的啟停與風閥的開關聯動起來，當風機啟動時風閥同時打開，而當風機停止運行時，風閥同步關閉，以保證不會發生空氣倒流。 

    2.5對設備與生產工藝結合不夠的改進建議 

    干燥工藝流程與設備設計不合理，會導致能量損失很大。為徹底解決這些問題，必須對產品的干燥特性進行系統的研究，以確定最佳的干燥工藝參數，如對被干燥物料的性質進行研究。物料本身的性質是影響干燥的最主要因素，物料的形狀、大小、堆積厚度、水分的結合方式、化學特性等都會影響干燥速率。國內除少數企業外，大部分設備制造企業缺乏對制劑工藝技術的了解和進行工藝試驗的必要條件，對各種物料的使用條件了解也不是很充分，故導致研發不足，很難進行新品種開發。 

    2.6對控制系統的改進建議 

    目前，流化床類設備的操作參數一般以操作人員的經驗設定為主，但其完全可以實現智能化，對工藝參數也可以實現追溯，這就對流化床類設備的電氣控制系統提出了較高要求。在電氣控制系統中，需要有檢測溫度、濕度、壓力、壓差、風速、操作時間、粉塵濃度等一系列裝置并得到基礎數據，然后通過變送器輸送和存儲到觸摸屏中，由觸摸屏對數據進行儲存分析，然后制定一個合適的工藝路線，即可實現智能化控制。 

    2.6.1溫度控制 

    常用熱風加熱控制方式采用簡單的“開”、“關”模式，當溫度達到設定值時停止通汽，但換熱器仍然有余熱使空氣溫度繼續上升，反之亦然，這樣會造成溫度波動過大，影響設備的干燥質量。建議：通過控制蒸汽流量的大小來保持進風溫度的高低，開始升溫時蒸汽流量較大，使進風溫度盡快接近設定值，然后自動調節蒸汽量使其緩緩接近設定值，最后保持穩定的蒸汽量使進風溫度保持穩定。 

    2.6.2進風量控制 

    大多的風量控制設備采用變頻調速控制，但沒有安裝風量測量元件，生產過程中只能根據物料的流化狀態隨時通過人工進行風量大小的調節，因此不能保證風量的穩定和風量的相對恒定，而物料的變化、過濾袋阻力的變化等因素都會對風量的穩定造成影響，風量的變化又可影響干燥速度。建議：在進風管安裝風量測量元件，實現自動控制，根據風量大小自動調節頻率，從而保持生產過程中風量的基本恒定。