喷雾干燥技术中雾化方式对产品质量和形态的影响

喷雾干燥技术中雾化方式对产品质量和形态的影响
Peter Walzel
喷雾系统主要用于微粒的形成和喷雾模式的选择。

我们讨论过不同喷雾器形成最重要的雾化特性。

就气动喷雾器来言，其夹带很低而且均匀混合喷射，喷射时会带有细小颗粒与大颗粒少量分离现象的发生。

用旋转式雾化器在出现较大喷雾倾角时会产生气体与喷雾之间强烈的相互作用。

我们了解到，雾化颗粒的形态在一定程度上主要取决于干燥速度以及雾沫量。

关键词：颗粒形态，喷雾干燥，喷雾形式，喷雾过程
1、前言
喷雾干燥是一种广为人知并广泛应用在将液体雾化干燥成自由流动的粉状或颗粒状制品的处理加工技术。

这项技术已得到较好的方案制定，技术基础也为人们所接受。

Masters 的有名著作《喷雾干燥技术手册》一直以来都是任何关于喷雾干燥技术和特殊观点的问题的标准解答信息。

与之相比在此技术上的扩展知识就体现在Mujumdar所著的《工业干燥技术手册》一书中。

近几年来，在世界方位内相当大量的技术作业都需要微粒制造技术的应用。

雾化干燥后微粒的结构、还有制造出应用于各种不同用途的粉末都受到许多因素的影响，例如，参与雾化干燥物料的属性不同、雾化设备操作的不同以及喷雾干燥塔中的干燥条件不同等。

经过喷雾干燥塔处理后颗粒的大小、活动状态以及与热空气的接触程度都由物料的性质以及干燥率来决定。

雾化加工中首先表现出技术操作结果的就是颗粒的大小。

当料液由液体转化为固态颗粒状态时，就是对在液料泵中形成操作结果所要求的固体浓缩物的干燥处理。

根据经过干燥步骤的固态颗粒的孔隙度ε、质量以及平衡量，我们可以得到微粒的大小：
其中，ρ1代表液体密度，ρs代表纯固体原料的密度，χs是加入装置的固体质量与体积，。

诸多尝试都是去模仿已形成的固体结构，这些研究的结果都非常有特点。

实验结果还没有达到普遍性的认知，进入技术延伸领域的可能性也是未知的。

实际上，固体颗粒的孔隙度ε的形成可以从微滴来判断或经过干燥剂的实验来降低，通常应在0.4~0.7的范围中浮动。

在真空式悬浮炉中实验仪器是否起作用往往是取决于在干燥处理过程中谁能洞察到一些有趣的新现象。

质量与热量平衡在固定的干燥过程中也是可能实现的，在此过程中也可运用悬滴法。

液滴/颗粒大小的最小值一般限制在d=0.4mm。

因为必经的操作程序要求将微滴放入雾化系统并且在仅仅几秒的时间范围内将其雾化为更小的微滴。

然而，小微滴与大微滴会出现在任何雾化的过程中，它们由于自身的干燥比率不一样并形成不同的结构形式。

这种因素是很重要的在工业生产和应运中，这是主要是由于与处理过程相关的时间安排分配有所不同，影响因素包括管道传输、扩散、结晶化以及热量传导。

干燥比率的不同，一方面是由于小微滴会较快被干燥处理。

正如我们所知，干燥所需时间由粒子表面所残余的水分比例决定，公式为：t d~d2。

另一方面，由于不同的拽力和惯性力，会出现不同的大小微滴轨迹，还有大小微滴与热空气接触的程度也不同。

为了解在喷雾干燥塔内微粒的变化规律，包括它们的原点、产生变化的条件，以及被讨论过的PSD（粒度分布）。

喷雾干燥后的产品质量一般都要求拥有均质性，也就是说，在粒度分布曲线中所有微粒也要呈现相同形态。

无论是应用于特殊用途的个别取决于材料属性的产品，均质性都是区分各类
产品性能的一把钥匙，例如，颗粒孔隙度、散装密度、压缩率、流量特性以及溶解特性等等。

2、喷雾方式/雾化方式
颗粒的平均大小以及质量参数都受到粒度分布的影响，在我们选择喷雾方式时，雾化过程中的能量消耗也是一个主要参考参数。

整个喷雾处理是受雾化模式、颗粒形成自适应大小以及为干燥微粒提供准确阻滞时间的喷雾干燥塔的形状影响的。

为了了解干燥步骤中雾化起始与结束的过程，我们接下来讨论一些重要的喷雾方式。

2.1、简单压力式喷嘴
旋流喷嘴设计中不同的几何配置会使得喷嘴的最小直径比也不同，为了防止喷嘴堵塞，一通常其直径比不低于D=1mm。

在市面上目前有几种不同的设计。

常用的一种喷嘴是由一个金属或陶瓷制成的偏平旋转槽组成，加入料液的入口只有一个（如Fig.1a）。

此种旋槽中料液不会循环流动，但是会产生气体盘旋（spiral-like）或椭圆形喷雾。

我们常常要求喷嘴的雾化角度要呈准确的角度比例以提供轴向动量。

然而，因为需要更小的平均喷雾角度，我们有时在旋槽中会多设计一个料液入口，底部呈圆锥形，这种形状的设计也非常成功地运用在实际应用中（如Fig.1b and c）。

旋槽入口的宽度会达到一个最小的尺寸，常常使用的机器也可能出现喷嘴堵塞。

在最近的一些技术运用中，循环式旋槽也已达到能使料液流量相对平均的状态了。

Fig1.喷雾干燥技术中常使用的锥型空心旋流喷嘴的不同设计
喷嘴倾角常常在40°<θ<60°,以保证相邻两个喷嘴喷出的雾不会交叉。

通过测量知，当在一个喷射平面里喷嘴之间按照最大距离排布，液滴的聚并和凝聚是可以忽略的。

与相同直径比喷射倾角更大的喷嘴相比，这微滴的大小是会少许变大的，是可以估算出来的，相关公式为：
液滴平均直径大小d v.50是接近于d32的，1.1≤d v.50/d32≤1.3。

热空气一般从喷雾干燥塔顶部流动进入雾化泵当中，与微滴相接触，干气雾化后雾滴从喷嘴中喷过张弛距离后喷射角度降低到20°。

这个距离能够根据微粒在分层化条件下与液体中流动的常规张弛距离关系来进行大致的估算：
v0是雾滴在喷嘴的最初流速，d是液滴的平均直径（大小），μg是气体粘度（浓度），单个雾滴（假设球体）的实际张弛距离通常较大，这是由于雾滴的雷诺数Re p=d p v0ρg/μg>1，还有他们在雾化过程中的整体活动状态。

（Fig.2）
注：雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，外部条件几何相似时(几何相似的管子，流体流过几何相似的物体等)，若它们的雷诺数相等，则流体流动状态也是几何相似的(流体动力学相似)。

这一相似规律正是流量测量节流装置标准化的基础。

雷诺数（Reynolds number）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示，Re=ρvr/η，其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数，r为一特征线度。

Fig.2颗粒/雾滴的张弛距离与公式(3)中层流条件下的张弛距离影响的最初雷诺数有关。

Fig.3呈现的是空心锥喷嘴将水雾化的模式图。

左边插图中用了40巴压强，出口喷出液体的流速为v0=82ms-1。

液滴的平均直径d v.50=43μm。

尽管右边插图的喷出流速v0=100ms-1相比更高，但喷雾虚化出现较早，其张弛距离为Lr=250mm，并且远场喷雾范围较窄，这是由于此种雾化模式的液滴平均直径d v.50=31μm。

在圆锥破碎后，这喷雾流的外观像一个单向自由喷射，这种喷射的圆截面接近于一个高斯速率分布，而且其喷雾角度为20°左右。

Fig.3喷雾模式为喷嘴直径D=1mm。

左图：△p=40bar，Lrμ=420mm；右图：△p=60bar，Lrμ=250mm，指定的喷嘴喷雾倾角为θ=65°。

诸多实例中一些粉末材料能够通过过滤装置被回收至喷雾干燥塔内，除将料液容器中已干燥处理过的颗粒进行再分散，这些粉末还能经由气力输送系统再雾化。

Fig.4就展现了通过环状导管回收的粉末进行雾化的状态。

这种重新凝聚及回收材料的方式应用在行业内也进行了广泛讨论。

Fig.4 通过气力输送系统经由装置的环状口将回收的粉末转为空心锥形雾化，图中喷嘴内部为锥形轮廓。

2.2 气流喷雾系统
对较小的雾滴、颗粒进行雾化干燥处理就必须采用如Fig.5中所示两种流体导管或气流
式喷嘴。

目前市面上有几种不同设计的喷嘴，一种最常用的是外部混合型喷嘴，还有一种是内部混合型喷嘴，后者在近段时间因其较低的能耗要求吸引了产业内较高的关注。

Fig.5在喷雾干燥技术中最常用的外部混合型喷嘴原理展示。

(a)简易同心导管，表面有预膜，常常成为制造商的选择；(b)为减少喷嘴堵塞情况出现而设计的后退式排气喷嘴（Lechler公司）；(c)为环状气体排出而设计的带有可调节槽位的喷嘴，为许多供应商所选用；(d)内部装有旋球能对料液进行高速剪切的喷嘴设计（Schlick公司）；(e)为更多的气体供应及较广的喷雾范围加入旋流室设计的喷嘴（Nubilosa公司）。

对于形成非常小的雾滴的料液和气体，我们常常使用装有同心导管的简单外部混合型喷嘴（如Fig.6）。

Fig.6在喷雾干燥技术中最常用的内部混合型喷嘴原理展示。

(a)径向排气喷嘴（Caldyn 公司/Lechler公司）；(b)斜孔式喷嘴（Schlick公司）；(c)带旋流室的喷嘴（Delavan公司）。

2.3、旋转雾化器
这些非常坚固的装置可用来处理各种黏度及稠度的料液，旋转雾化器以50000转/分高速运转。

转轮直径一般都为0.5m甚至更大，设计上有叶片状的或带孔的圆盘配有陶瓷衬垫
组成。

因借助转轮转动时圆周加速度的惯性在进行料液分离时只需提供较低的压强即可完成作业。

带有孔的转轮工作时，料液通过装置上的孔流出，形成紊动射流。

Fig.7所呈现的就是带孔转轮作业产生的紊动射流。

Fig.7带有开孔的旋转轮中料液呈射线型分散，射流形成是由于在紊乱流动条件下转动产生的离心力引起的。

2.4、超声雾化器
除了之前介绍的雾化方法，在一些特殊制造中也有其他的雾化技术已接受测试并已经投入实际应用当中。

为处理粘度较大的料液雾化干燥而研究出了超声雾化系统。

系统中的声场包括压强设置与速度节点设置。

被注射进设备的料液会先形成薄薄的片状物，之后被分解成雾滴，这些雾滴大小是不相同的，区别可能有的很大为了测得比较准确的数据先得估算。

然而，超声雾化技术只是在喷雾干燥处理上效率很高，但使用环境与用途范围受到限制，这使它很难成为主流的喷雾干燥处理方式。

3、特殊操作条件
就简单压力式旋流喷嘴而言，在干燥过程中过度加热的料液已被测试在雾化过程中对能量平衡有一定积极作用。

在相同的喷嘴经过压力雾化处理后，与常规雾化操作相比过度加热的了解所产生的雾滴相对更小，从陶瓷料液雾化干燥得到的颗粒拥有更高的密度，其内部生成的空心也越小，这是由于在喷嘴出口处突然蒸发避免了颗粒外层硬壳的过早形成。

在远低于沸点情况下对料液进行预热也能有助于降低料液粘度、减少喷雾中雾滴自我形成不统一现象的出现。

除了过度加热，不同种类的气体都能在一定压力下被溶解，包括拥有特性的料液或干燥处理后颗粒的不同结构。

最近，用咖啡提取物做的实验表明，CO2或N2在压强p>100巴的条件下，料液在雾化前就被溶解了。

特别是CO2会产生泡沫，并对相对轻的颗粒进行影响。

简单压力式喷嘴一般都用于这些试验。

旋转式雾化器运用离心机移除料液中的气泡，一般制作蓬松类的或绒毛产品就需要用到此雾化方式，如卡布奇诺咖啡粉等等。

CO2在减少聚合物溶液及熔融物的黏度上的作用也是广为人知的，当CO2在一定压力下溶解于机器内料液中，它就加大了材料雾化的可能。

4、为精确粒度分布而开发的喷雾系统
显而易见，精确的粒度分布是制造高质量产品的基础要求只有在比较精密条件下才能有比较好的实验效果，这样才能出更好的工作效率，来满足工业上的需求，于此只有当相同的或是至少类似的历史干燥记录体现出来的时候所有的微粒雾化才能达到预期效果。

我们所有的计划都是希望达到等量大小的微粒。

但是在实验过程中，遇到的误差是不可能排除的，所以要多向换化来满足不同大小的分布要求，才能起到更好的效果和结论，在接下来的部分里，有的是之前提到过的内容，尽管在产业中它们的常规应用已经因为各种限制而停止使用很久了，但是还是存在着一些很大的问题，在进一步的完善和。

4.1、孔盘与微管
在其构造中，其中一个选项就是在缓和的层流条件下大多数的微管在传送过程中会形成雷利漫射衰弱现象。

该系统的运行离不开微管及料液的振动，还有外界的震动因素。

形成的微滴大小是微管直径的两倍，也就是说，D=100μm的微管中需要形成d=200μm的微滴，这样才能符合也就是更近一步的接近构件要求，以符合规格。

在符合要求的情况下，以及在这种被迫振动的情况下，微滴的排出输送速度必须与振动频率相一致，这样才能接近液体分解的频率。

实际中，仅仅是一点沉淀物在微管中存在，系统运行一段时间后就会导致微粒流动频率不一致，甚至造成系统紊乱失调。

因此，在雷利漫射自然衰弱的情况下不再采用微滴大小与微管大小不一致的方案是明智之举。

4.2、射流切割系统
为了单径弥散微粒制造应用，一个很有趣的系统在1994年被提出，并成功用于研究不同的高浓度料液在导向喷雾塔中的雾化形式和效果。

以相对高速从喷嘴喷射出形成溶液射流，这些射流将被辐轮切割或者阻碍。

这种轮子上有像辐线一般的很细的线条，在实际情况下完全可以识别。

此系统的优点在于每个喷嘴都能有高流动率并且能接受黏度较高的料液，微滴直径最小值受喷嘴直径范围的影响，因此该系统在形成较小的微粒上有诸多困难，所以理想化的状态是不可能达到的，只能在有限的条件内去满足相似的要求，这样才能不至于产生更大的误差来影响实验效果。

并且该系统在生产条件下的持续性表现如何也未得到证实。

4.3、层流操作旋转式雾化器
另一个将雷利射流应用于精确粒度分布的构想就是层流操作旋转式雾化器。

在最开始的时候，料液是有一个初级的雾化系统进行分解，然后放入旋转柱体的内壁，内壁上，2-4mm 范围内就有多大1000个孔。

之后，由分配器从一或两条供给线将均等分解的料液传送到各个孔板中。

这个层流操作的系统并不需要对料液进行压力分解。

该系统下形成的微滴直径范围一般为1.5<d50.3/Lc<2.5。