2021-06-15
從沸騰干燥機(jī)的工作原理等入手，對目前該設(shè)備普遍存在的一些問題作了簡要分析，并提出了一些改進(jìn)建議。固體制劑的生產(chǎn)工藝中，沸騰干燥機(jī)是經(jīng)常被選用的設(shè)備。沸騰干燥具有傳熱效果良好、生產(chǎn)能力大、溫度分布均勻、操作形式多樣、物料停留時間可調(diào)、投資費(fèi)用低廉和維修工作量較小等優(yōu)點(diǎn)。在國內(nèi)經(jīng)過30多年的使用與改進(jìn)，已顯示出其在干燥領(lǐng)域的獨(dú)特地位，目前在制藥、化工、食品等方面越來越體現(xiàn)出它的重要作用。
1沸騰干燥機(jī)的工作原理、流程與特點(diǎn)
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?jié)耦w粒懸浮，流態(tài)化的沸騰使物料進(jìn)行熱交換，通過熱空氣把蒸發(fā)的水分或有機(jī)溶媒帶走，其采用熱風(fēng)流動對物料進(jìn)行氣—固二相懸浮接觸的質(zhì)熱傳遞方式，達(dá)到濕顆粒干燥的目的[1]。流化床干燥技術(shù)涉及傳熱和傳質(zhì)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?zhèn)髦廖锪蟽?nèi)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(nèi)部水分以液態(tài)或氣態(tài)擴(kuò)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(zhì)過程。
??1.2工作流程
??物料通過料車運(yùn)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(fēng)機(jī)動力作用下，經(jīng)過濾裝置凈化、散熱器加熱后，再經(jīng)氣流分布板(篩網(wǎng))分配進(jìn)入沸騰床(干燥室)。料斗內(nèi)的物料在熱風(fēng)和攪拌作用下形成沸騰狀態(tài)(即流態(tài)化)，在大面積氣、固兩相接觸中，物料內(nèi)部的水分(或溶劑)在較短的時間內(nèi)蒸發(fā)并隨排出空氣帶走，物料被干燥。
??1.3技術(shù)特點(diǎn)
??(1)傳熱效果良好，床層內(nèi)溫度比較均勻，具有很高的熱容量系數(shù)(或體積傳熱系數(shù))，生產(chǎn)能力大;
??(2)由于流化床內(nèi)溫度分布均勻，可避免產(chǎn)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(shè)備內(nèi)可以進(jìn)行連續(xù)操作，也可進(jìn)行間歇操作;
??(4)物料在干燥器內(nèi)的停留時間可以按需要進(jìn)行調(diào)整，所以產(chǎn)品含水率穩(wěn)定;
??(5)獨(dú)立電氣柜和PLC人機(jī)交互操作控制，集成了所有干燥參數(shù)設(shè)置，操作安全方便;
? (6)干燥裝置機(jī)械傳動部件少，設(shè)備的投資費(fèi)用低廉，維修工作量較小。
?2對沸騰干燥機(jī)的改進(jìn)建議
?經(jīng)過長期的應(yīng)用和發(fā)展，沸騰干燥機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能方面都有了明顯的改善，質(zhì)量也在不斷提高，但還存在著一些問題，下面結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐提出改進(jìn)建議：
?2.1對熱能利用不充分的改進(jìn)建議
?沸騰干燥機(jī)從形式上來說是一種空氣對流干燥設(shè)備，與傳導(dǎo)型干燥設(shè)備相比，能耗確實(shí)要大一些，但如果采取一些措施，則可以達(dá)到很好的節(jié)能效果。建議：(1)加強(qiáng)設(shè)備的密封效果。目前大多數(shù)沸騰干燥機(jī)料斗與設(shè)備本體采用平面法蘭連接，密封效果較差，建議設(shè)計(jì)時改用凹凸面法蘭連接;進(jìn)口泵卡斯特紅酒(2)干燥器不少都采用鋼管纏繞翅片進(jìn)行換熱，鋼管雖可節(jié)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(jìn)建議
??能夠順利進(jìn)行流化工藝操作的基本條件是物料具有良好的流化狀態(tài)，高效率的過濾除塵器使這種狀態(tài)得以延續(xù)。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(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)捕集袋的搖振而達(dá)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(dǎo)致密封不嚴(yán)，也會引起跑粉和風(fēng)量的變化，既污染了環(huán)境，又降低了產(chǎn)品收率。建議：過濾袋采用卡箍連接方式進(jìn)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(chǎn)電磁閥技術(shù)的進(jìn)一步提高與價位的進(jìn)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(jié)網(wǎng)兩種。其中，不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)濾芯是^對任何物料收率均能保證達(dá)到99%以上的產(chǎn)品。由于現(xiàn)在清洗技術(shù)的難題已基本解決，不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)濾芯在收率和使用壽命方面的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，藥廠使用也越來越多。
?另外，隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，建議完善除塵系統(tǒng)，增加二次除塵裝置。
?2.3關(guān)于氣流分布板(篩網(wǎng))的改進(jìn)建議
??沸騰干燥機(jī)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(tài)勢、開孔率等都對流體的分布起著至關(guān)重要的影響。氣體分布不均勻，會使床層中出現(xiàn)“環(huán)流”，其趨于極端易使床層中某些部位出現(xiàn)“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(yīng)該著力避免的。良好的分布板設(shè)計(jì)，應(yīng)能抑制床層中出現(xiàn)不均勻性，即當(dāng)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(chǎn)生的阻力應(yīng)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(jī)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(wǎng)板，物料在流化過程中很容易出現(xiàn)流化不均或產(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生殘留引起交叉污染等問題。建議：利用計(jì)算機(jī)流體動力學(xué)模型、傳熱與傳質(zhì)模型，在氣流分布板設(shè)計(jì)時對孔距、孔徑、開孔率等參數(shù)進(jìn)行空氣動力學(xué)、熱力學(xué)仿真計(jì)算并驗(yàn)證，以滿足不同物料的生產(chǎn)工藝要求。在安裝方式上，連接方式制成可拆卸式，以確保實(shí)現(xiàn)快裝和徹底、完全的清洗。
?2.4對完善進(jìn)風(fēng)空氣處理的建議
??熱空氣的采風(fēng)口一般設(shè)置在輔機(jī)房，和加熱裝置、消音器安裝在一起，輔機(jī)房與潔凈區(qū)不設(shè)置直通的門窗，輔機(jī)房的空氣潔凈級別往往比較低，會影響藥用熱空氣的質(zhì)量，這就要求設(shè)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(dá)到GMP要求。
??目前國內(nèi)許多設(shè)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?？諝馓幚硐到y(tǒng)雖然配置了初、中、高效過濾器，但隨著運(yùn)行時間的不斷增加，高效過濾器會出現(xiàn)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(jù)。提早更換會增加成本，推遲更換又會帶來空氣質(zhì)量下降的風(fēng)險，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。建議：在高效過濾器前后增加壓差顯示裝置，當(dāng)壓差到達(dá)一定的數(shù)值后報警提示更換。
??此外，大多設(shè)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(jìn)行除濕會對物料的干燥產(chǎn)生很大影響。建議：增加除濕裝置。
??許多設(shè)備的引風(fēng)機(jī)與風(fēng)閥不聯(lián)動，這可能會導(dǎo)致在風(fēng)機(jī)停機(jī)和蝶閥關(guān)閉之間引起空氣倒流的現(xiàn)象。建議：風(fēng)機(jī)的啟停與風(fēng)閥的開關(guān)聯(lián)動起來，當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動時風(fēng)閥同時打開，而當(dāng)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時，風(fēng)閥同步關(guān)閉，以保證不會發(fā)生空氣倒流。
?2.5對設(shè)備與生產(chǎn)工藝結(jié)合不夠的改進(jìn)建議
干燥工藝流程與設(shè)備設(shè)計(jì)不合理，會導(dǎo)致能量損失很大。為徹底解決這些問題，必須對產(chǎn)品的干燥特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以確定^佳的干燥工藝參數(shù)，如對被干燥物料的性質(zhì)進(jìn)行研究。物料本身的性質(zhì)是影響干燥的^主要因素，物料的形狀、大小、堆積厚度、水分的結(jié)合方式、化學(xué)特性等都會影響干燥速率。國內(nèi)除少數(shù)企業(yè)外，大部分設(shè)備制造企業(yè)缺乏對制劑工藝技術(shù)的了解和進(jìn)行工藝試驗(yàn)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(dǎo)致研發(fā)不足，很難進(jìn)行新品種開發(fā)。
2.6對控制系統(tǒng)的改進(jìn)建議
目前，流化床類設(shè)備的操作參數(shù)一般以操作人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為主，但其完全可以實(shí)現(xiàn)智能化，對工藝參數(shù)也可以實(shí)現(xiàn)追溯，這就對流化床類設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)提出了較高要求。在電氣控制系統(tǒng)中，需要有檢測溫度、濕度、壓力、壓差、風(fēng)速、操作時間、粉塵濃度等一系列裝置并得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過變送器輸送和存儲到觸摸屏中，由觸摸屏對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存分析，然后制定一個合適的工藝路線，即可實(shí)現(xiàn)智能化控制。
2.6.1溫度控制
常用熱風(fēng)加熱控制方式采用簡單的“開”、“關(guān)”模式，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時停止通汽，但換熱器仍然有余熱使空氣溫度繼續(xù)上升，反之亦然，這樣會造成溫度波動過大，影響設(shè)備的干燥質(zhì)量。建議：通過控制蒸汽流量的大小來保持進(jìn)風(fēng)溫度的高低，開始升溫時蒸汽流量較大，使進(jìn)風(fēng)溫度盡快接近設(shè)定值，然后自動調(diào)節(jié)蒸汽量使其緩緩接近設(shè)定值，^后保持穩(wěn)定的蒸汽量使進(jìn)風(fēng)溫度保持穩(wěn)定。
2.6.2進(jìn)風(fēng)量控制
大多的風(fēng)量控制設(shè)備采用變頻調(diào)速控制，但沒有安裝風(fēng)量測量元件，生產(chǎn)過程中只能根據(jù)物料的流化狀態(tài)隨時通過人工進(jìn)行風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)，因此不能保證風(fēng)量的穩(wěn)定和風(fēng)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(fēng)量的穩(wěn)定造成影響，風(fēng)量的變化又可影響干燥速度。建議：在進(jìn)風(fēng)管安裝風(fēng)量測量元件，實(shí)現(xiàn)自動控制，根據(jù)風(fēng)量大小自動調(diào)節(jié)頻率，從而保持生產(chǎn)過程中風(fēng)量的基本恒定。
?2.6.3在線濕度檢測
增加在線濕度檢測裝置。方便用戶根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)，提高干燥的效率。
2.6.4沸騰干燥工藝的重復(fù)性和可追溯性
在實(shí)際生產(chǎn)中，操作人員對每次生產(chǎn)的設(shè)備工藝參數(shù)都要重新進(jìn)行設(shè)定和修改，不能保證同樣的產(chǎn)品采用同樣的設(shè)備工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，也就談不上追溯性。根據(jù)GMP，要求設(shè)備能夠儲存一定量的生產(chǎn)工藝參數(shù)，確保生產(chǎn)的重復(fù)性和可追溯性，各個用戶根據(jù)品種的多少來設(shè)定。沸騰干燥設(shè)備一般要求能夠存儲50種生產(chǎn)工藝，而目前國產(chǎn)設(shè)備大多做不到這一點(diǎn)。建議對PLC控制系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，使功能更完善。如具有足夠的內(nèi)存，能夠儲存多種生產(chǎn)工藝，提供現(xiàn)場打印參數(shù)、數(shù)據(jù)保存、進(jìn)行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)PC連接功能等。
