流化床造粒的研究进展

综述与述评流化床造粒的研究进展

王　可,程　榕,杨阿三

(浙江工业大学化学工程学院,浙江杭州　310014)

摘　要:简述了流化床造粒的主要方法,阐述了造粒的机理主要是团聚和涂布两种过程,总结了影响造粒的因素和研究造粒过程中提高团聚效率的方法,并对流化床今后的研究方向进行了展望。

关键词:流化床造粒;造粒机理

中图分类号:T Q029.4 文献标识码:A 文章编号:1003-3467(2003)03-0001-03

R esearch Progress of Fluidized-Bed G ranulation

WANG K e,CHENG R ong,YANG A-san

(C ollege of Chemical Engineering,Zhejiang University of T echnology,Hangzhou　310014,China) Abstract:The main methods of fluidized-bed granulation are reviewed.T w o mechanisms of granulation,i.

e.agglomeration and layering are introduced.The in fluencing factors of granulation are summarized and method of collection efficiency of granulation are researched.The future trend of research are forecasted.

K ey w ords:fluidized-bed granulation;mechanism of granulation

流化床造粒广泛应用于产品的制造过程,如肥料、药品、工业化学品、食品(尤其速溶食品)、陶瓷、核燃料以及树脂工艺等。流化床造粒通常是产品干燥所需的预加工过程或后处理过程,或者是与干燥同时进行的过程。

1　流化床造粒的方法及其应用

造粒的方法很多,如搅拌法、压力法、加热法、喷雾分散法等[1]。随着工业化生产对产品要求的提高,特别是肥料工业的发展,人们普遍要求生产大颗粒肥料(粒径为4～8mm),大颗粒肥料由于粒度大、强度高而适于森林、草原飞播,超大颗粒尿素(粒径为8～12mm)可作为稻田的深层底肥[2-3]。而在目前诸多的造粒方法中,流化床造粒的突出特点是集成粒、混合、干燥过程于一体,工业化应用已得到推广。流化床造粒主要可分为流化床喷雾造粒、喷动流化床造粒、振动流化床造粒等几种。近几年,高速超临界流体(RESS)造粒也有所发展。

1.1　流化床喷雾造粒方法及其应用

喷雾造粒一般以空气流化气体,先进行预热后,通至带有分布板的流化床底部。液体进料大多数是由双流体喷嘴喷入流化床,要求喷嘴具有操作弹性且不易堵塞,如果是热气体,雾化结晶液时更要注意。为了使得涂在颗粒上的液体尽可能干燥,一般采用气体和固体颗粒逆流,以便使产品粒度分布更均匀。流化气体的速度要大到能使大颗粒强烈运动,以防止结块现象发生。

20世纪50年代,为了提高药品的稳定性和美观度,Wurster最早把流化床喷雾造粒技术应用于医药。流化床喷雾造粒随后应用于化肥工业也取得了巨大的成功,如日本三井东压化学公司开发的尿素造粒技术,整个设备体积小,水电消耗低。随着喷雾造粒技术的发展,生产成本的降低,为了得到功能性的成分和添加剂,人们应用喷雾造粒技术处理助剂、防腐剂、维生素、矿物质和调味剂等[4],获得了较好的效果。

1.2　喷动流化床造粒方法及其应用

喷动床造粒和流化床造粒相似,也是把可以泵送和雾化的料液喷成雾状,然后落在床层中热的种子颗粒上干燥,一步直接生成固体颗粒。喷动床固体颗粒的生成,不依靠床层的搅拌。喷动流化床综合了流化床及标准喷动床的优点,既适于处理大颗粒物料,又能提供像流化床一样良好的气固接触效果与混合,故可被用来作为生产大颗粒产品的造粒器。NS M公司开发成功了卧式多室喷动床造粒器,应用于尿素、硝酸铵的生产。

1.3　振动流化床造粒方法及其应用

收稿日期:2002-12-11

作者简介:王　可(1976-),男,在读硕士,主要从事流化床造粒的研究,电话:(0571)88819032。

振动造粒可以在回转圆筒、回转圆盘或振动流

化床中实现。当气体被用作热量和物质传递载体在造粒中应用时,该设备叫做气体振动流化床(AVF B )。振动流化床的优点在于造粒的强度高,速度快,造粒产品质量的改善,使难以流化的细小粉末易于造粒,从消耗能量和物质观点来看,经济性高[1,5-6]。气体振动流化床常用在食品和医药工业的造粒。目前,振动流化床的主要生产商有Anhy 2dro 、Niroatomizer 、Escher -Wyss 等公司。1.4　高速超临界流体(RESS )造粒方法及其应用

RESS 过程是超临界流体经过微细喷嘴的快速

膨胀过程。在膨胀过程中,温度压力的突然变化使

溶质的过饱和度骤然升高,当溶液以单相喷出时,析出大量微核,微核在极短的时间内快速生长,形成粒度均匀的亚微米以至纳米级微细颗粒。从实验所拍摄的照片中可以观察到,颗粒的成长非常均匀,整个造粒涂布都是累积式一层一层长大的。高速超临界流体造粒的特点是能够控制颗粒的大小,但在实际工业生产中存在很多的不利因素,比如,流体要在高速下喷淋,动力消耗较大;在操作时,喷嘴的最低温度可达零下七八十度,因此对设备的材料要求较高[7-8]。由于以上诸多不利因素的影响,有关超临界造粒的工业应用目前未见相关报道。2　流化床造粒的机理2.1　团聚和涂布过程及模型的研究流化床造粒中颗粒的成长有两种机理。一种机理是由两个或两个以上的粒子通过粘合剂形成“液桥”,团聚在一起形成一个大粒子,被粘合剂浸润的粒子与其周围粒子发生碰撞,粘附在一起,颗粒间通过“固桥”连在一起形成大颗粒。按此机理成粒,生长速度快,比表面积大,溶解性好;但粒度不均匀,形状不规则,机械特性差。另一种机理是通过喷淋液在母粒周围反复涂层,以晶核为中心,干燥后使颗粒增大,最终颗粒是以原始颗粒为基本粒子,形状与原始粒子相近。按此机理成粒,生长速度较慢,成长稳定均一,溶解速率慢,但机械性能好。两种造粒过程的模型见图1

。

图1　流化床造粒中的团聚和涂布

对于以上两种不同的造粒过程,Smith [9]和

Steven [10]分别利用质量守恒的方法和离散化粒数平

衡方法得出了团聚生长的模型;Smith [9]和吴洪等[11]

运用质量守恒法,得出了理想化颗粒层式成长的模型。2.2　判断颗粒生长机理的准则

Ennis [12]提出了用颗粒的粘性斯托克斯数St v

判断颗粒生长机理的准则,从微观上分析了造粒过程中的力平衡。当颗粒相对运动动能全部消耗在粘性碰撞中时,可求得临界St vc 数。造粒过程可以分为三个区域:①粘性St v 数远小于临界St vc ,即St v /

St vc →0,这种情况一般发生在晶种直径10μm 数量级或更小,颗粒碰撞即聚在一起。②当颗粒不断长大,其最大值与临界St vc 相等,St max /St vc →1,为造粒

的惯性区。颗粒的动能和粘合剂都影响颗粒团聚的速率。③当颗粒继续长大,其平均St v 与St vc 相等时,St v /St vc →1,为造粒的分层生长区。对于St v St vc 的局部区域内,团聚颗粒被破碎,两者达到一稳定的动态平衡,存在颗粒生长极限,颗粒只有分层生长。3　流化床造粒研究的现状3.1　流化床造粒的影响因素

表1　影响流化床造粒的因素[13-14]

类别影响造粒的具体因素

液体

表面张力、润湿特性、粘度固体颗粒大小、孔隙率、溶解性、渗透性质过程喷涂性质、气体温度、母液流率设备

喷嘴位置、床体体积、流化性质

现对表1中影响流化床造粒过程的几个主要因素总结如下[15-19]:

①流化气速的影响。流化气速的大小直接影响床层的流化状态。当流化气速过小,并且床温过高时,易造成“干式”失稳,此时流化气带来的热量不足以使溶剂及时蒸发,会造成床层“湿式”失稳;而过大的气速会增大磨损,使得造粒的效果下降。②流化床层温度的影响。当其他操作条件相同时,床层温度低则床内湿度高,雾化液滴易于在颗粒表面上铺展开而形成较大的固液接触面积,因而颗粒易于碰撞后团聚,所以颗粒生长速率快;但过低的床层温度易导致湿式死床。反之,床层温度高时则生产能力较高,设备利用率高,同时提高了流化床的传热温差和传热效率;但过高的床温会降低造粒的效率,这主要是因为雾化液滴在没有接触到流化颗粒之前就已经被干燥,干燥后的粉尘随流化气体扬析出来。③料液流速对颗粒生长速率的影响。在保证充分的热