干燥技术第一节 喷雾干燥的程布置和过程阶段

喷雾干燥的缺点 ①投资费用比较高。 ②喷雾干燥属于对流型干燥器，热效率 比较低(除非利用非常高的进风温度)， 一般为30％～40％。
旋转雾化器，甚至具有密封的润滑系统， 对无菌过程，被认为是不适宜的。此外，将 与产品接触的旋转部件，也是被认为是不适 宜的。 由干燥塔出来的空气和粉体，采用单点 出料方式。 为了防止大气可能漏入到干燥系统，干燥 室和同产品接触的部件，都要保持微正压， 通过采用一个风机操作的流程来实现(见图56)。



(6) 无菌的喷雾干燥系统 制药工业需要无菌的喷雾干燥系统。这种流程可以
是开放式的，或者是闭路循环，决定于是水溶液或 非水溶液。 系统的全部部件及操作，要防止任何形式的污染。 用改进的耐温的空气过滤器(空气为干燥介质)，无 污染的雾化及无污染的粉体排卸系统组合起来，组 成无菌的喷雾干燥系统，如图5-6所示。
3.1 喷雾干燥的流程布置与过程阶段
3.1.1 喷雾干燥的流程布置 (1) 开放式喷雾干燥系统 该系统的特征是雾化的料液全部是水溶液， 干燥介质是环境的空气，空气经过干燥器 及除尘系统后，排放到大气中。这是一种 标准的流程，在工业上，绝大多数是这种 流程，如图5-1所示。
(2) 开放式的具有部分废气再循环的喷雾干 燥系统 部分废气再循环是为了回收部分废气的 余热, 以节省燃料消耗。再循环量一般为排放 总量的20%～30％。最高可达50％，视排气 温度而定。其流程如图5-2所示。
物料干燥分等速阶段和减速阶段两个部分 进行。
等速阶段，水分蒸发是在液滴表面发生， 蒸发速度由蒸汽通过周围气膜的扩散速度所 控制。主要的推动力是周围热风和液滴的温 度差，温度差越大蒸发速度越快，水分通过 颗粒的扩散速度大于蒸发速度。 当扩散速度降低而不能再维持颗粒表面 的饱和时，蒸发速度开始减慢，干燥进入减 速阶段。此时，颗粒温度开始上升，干燥结 束时，物料的温度接近于周围空气的温度。
直接燃烧加热的这种流程，它可以获得完全燃烧的条

件，采用非常少的过量燃烧空气操作，可以建立起自 惰化系统。 该流程用于水溶液物料，干燥产品不能和空气及氧气 接触，或有爆炸的危险，或产生氧化作用，破坏产品 质量。 该系统的特征就是采用直接燃烧加热器，烧掉空气中 的氧。用燃烧气体更可取，容易控制燃烧。在燃烧室 中，采用精确调节过剩燃烧空气量，以得到低氧含量 的循环干燥气流。 一个自惰化系统，不需要氮气及其他惰性气体。系统 不需要气密性气封。 干燥室在微真空下操作，干燥器附近无粉尘。
特殊设计的空气分布器及干燥室，通过控制雾滴和 颗粒的流动图形，达到室壁清洁的条件。
在开放式的喷雾干燥系统中，干燥空气 进入干燥室以前，首先预过滤后进入加热器， 加热到设计温度，再通过完全过滤器(HEPA 过滤器，见图5-6)。 过滤的水溶液料液，通过一个无菌过滤器 后进入雾化器。一般情况下，采用压力式雾 器。 如果压力式喷嘴不能满足粉体颗粒尺寸要 求时，可以使用二流体喷嘴，此时雾化空气 要预过滤，然后再经过完全过滤器过滤。
系统的过滤器及卸料阀等全部部件，必须按照就地灭菌 (SIP)设计。
(7) 二级和三级干燥流程
上述的全部喷雾干燥流程属于一级流程，代表着绝大多数的 喷雾干燥系统。在一般情况下，都能满足产品质量(如颗粒 尺寸分布、残余湿含量、体积密度等)要求。 有时为了改善产品质量和提高干燥器热效率，这就产生了喷 雾干燥和流化床干燥或带式干燥的组合的二级和三级干燥系 统。 对于干燥非常复杂的产品，技术要求又非常严格，在一级流 程中很难完成时，就可采用二级流程，喷雾干燥作为第一级 干燥器，流化床作为第二级干燥器，或者作为干燥器和冷却 器，如图5-7所示。
3.1.2 喷雾干燥的过程阶段 (1) 喷雾干燥的第一阶段——料液的雾化
料液雾化为雾滴、及雾滴与热空气的接触、混合是喷 雾干燥独有特征。 雾化的目的在于将料液分散为微细的雾滴，具有很大 的表面积，当其与热空气接触时，雾滴中水分迅速汽 化而干燥成粉体或颗粒状产品。 雾滴的大小和均匀程度对产品质量和技术经济指标影 响很大，特别是对热敏性物料的干燥尤为重要。如果 喷出的雾滴大小很不均匀，就会出现大颗粒还没达到 干燥要求，而小颗粒却已干燥过度而变质。 因此，料液雾化所用的雾化器是喷雾干燥的关键部件。 目前常用的雾化器可作如图5-9所示的分类。
(3) 喷雾干燥的第三阶段——干燥产品与空 气分离(通常称为气一固分离)
喷雾干燥产品，大多数都是采用塔底出料。部分细 粉夹带在排放的废气中，这些细粉在废气排放前必 须收集下来，以提高产品收率，降低生产成本；排 放的废气必须符合环境保护的排放标准，以防止环 境污染。 喷雾干燥常用的气一固分离方法，可有下列几种方 式：只用旋风分离器；只用袋式过滤器；只用静电 除尘器；旋风与布袋的组合；旋风与湿法除尘的组 合。采用何种方式，决定于工艺要求(包括环保要求 等)。
它也是一个半闭路循环系统。此流程如图5-5 所示。 加热器采用直接燃烧式，工艺条件允许采用 高干燥空气入口温度，可以提高干燥器热效 率。 排放的气体量等于在燃烧室燃烧产生的气体 体积量(大约为总气体量的10％～15％ ) 。 如果排出的气体有臭味，还可以将此部分气 体通人燃烧室进行燃烧，并回收这部分热量。
同产品接触的全部部件表面，愈光滑愈好，因此，表 面必须抛光。特别是焊缝、视镜及门的周围，由于任何一个 变形和裂缝，都可能形成沉积产品的区域。
喷雾干燥塔的金属和非金属的结构材料，都必须进行杀 菌。 喷雾干燥塔在重新启动以前，必须在规定温度下，用热 空气、水蒸气或化学品灭菌。用160℃的热空气时，需2h， 180℃时需30min。用0.2MPa水蒸气时，需20min。
原理
将溶液、乳浊 液、悬浊液或浆 料在热风中喷雾 成细小的液滴， 在它下落过程中， 水分被蒸发而成 为粉末状或颗粒 状的产品，称为 喷雾干燥。
在干燥塔顶部导入热风，同时将料液泵 送至塔顶，经过雾化器喷成雾状的液滴，这 些液滴群的表面积很大，与高温热风接触后 水分迅速蒸发，在极短的时间内便成为干燥 产品，从干燥塔底部排出。 热风与液滴接触后温度显著降低，湿度 增大，它作为废气由排风机抽出。废气中夹 带的微粉用分离装置回收。
排放的少量气体，能够比较容易处理，一 般用作燃烧的空气。 该系统用于有气味和有毒的水溶液物料。 但是，粉尘没有爆炸和燃烧的危险。需要 间接加热，防止粉体(产品)同燃烧产物接触。
含有毒性颗粒或气味的少量排放气体，通 过燃烧室的火焰区域，将其惰性化(即氧化) 或脱味，然后排放到大气中。
(5)自惰化(self-inertizing)喷雾干燥系统
3.1.3喷雾干燥的优缺点 工业生产实践证明，在当代，喷雾干燥 是一个非常重要的工业干燥操作。它的工业 应用非常广泛，几乎涉及国民经济的每一个 部门。
喷雾干燥的优点
①只要干燥条件保持恒定，干燥产品特性就保持恒定。 产品质量好，含水量<5%。 ②喷雾干燥操作是连续的，其系统可以是全自动控制 操作，干燥时间短。 ③喷雾干燥系统特别适用于热敏性物料的干燥，适用 于水溶液和有机溶剂物料的干燥。 ④原料液可以是溶液、泥浆、乳浊液、糊状物或融熔 物，甚至是滤饼等均可处理。 ⑤喷雾干燥操作具有非常大的灵活性。喷雾能力每小 时几千克至200t。
(2) 喷雾干燥的第二阶段——雾滴和空气的接 触（接触、混合、流动，即干燥）
雾滴和空气的接触、混合与流动状态决定于热风分 布器的结构形式、雾化器在塔内的安装位置及废气 的排出方式等。 在干燥塔内，雾滴－空气流向有并流、逆流及混合 流。雾滴和空气的接触方式，对干燥塔内的温度分 布、雾滴(或颗粒)的运动轨迹、颗粒在干燥塔中的 停留时间及产品性质等均有很大影响。 研究雾滴的运动及干燥过程，主要是确定干燥时间 及干燥塔的主要尺寸。
(3) 闭路循环喷雾干燥系统 闭路循环喷雾干燥系统，是基于干燥介 质为惰性气体(如N2气等)的再循环和再利用。 当然，特殊情况下也可以用空气，如空气－ 四氯化碳系统。 干燥系统部件间连接处要保证气密性密 封，干燥室在低压(200mmH2O即1.96kPa)下 操作。其流程如图5-3所示。
在下述情况下，选用闭路循环流程 ①原料液由固体和有机溶剂组成； ②要求有机溶剂全部回收； ③干燥有毒的固体粉粒状产品； ④不允许气味、溶剂蒸气和颗粒状物质的逸出， 防止对环境大气造成污染； ⑤粉尘在空气中可能形成爆炸混合物； ⑥必须防止有机溶剂的燃烧和爆炸的危险； ⑦在干燥过程中，由于氧化作用，不允许粉尘 和氧接触。
采用二级干燥，具有下述优点：
①产品湿含量可以非常低；②粉粒体产品温度低；③可以 改变粉体的尺寸分布(可以团聚，可以分级)；④提高干 燥过程热效率(见表5-1)。
三级干燥系统
在食品工业应用较多，如图5-8所示。它可以完成要求复 杂的产品，如喷涂造粒、添加一些其他成分等。二级、 级干燥和一级比，不仅能提高产品质量，而且还可以 节省能量，见表5-1 。
在流程中，设置的洗涤一冷凝器，有两个 目的: 一是冷凝从物料中出来的进入惰性气体中 的有机蒸气；而洗涤液就是固体中的有机溶 剂； 二是洗涤气体中的粉尘，防止堵塞加热器。
(4)半闭路循环喷雾干燥系统 这种流程如图5-4所示。此系统用空气作干燥 介质。 这个系统的部件间连接处是非气密性的，由 系统排放到大气中的空气量相当于漏入系统 的空气量。 干燥器在微真空(压力约为-10~-30mmH2O， 1mmH2O＝9.80665Pa)下操作。