流化床干燥設備進展的研究

流化床干燥器因具有較高的熱質傳遞速率、結構緊湊、便于操作等優點而被廣泛用于化工、食品、陶瓷、制藥等行業，就流化床干燥設備的種類及普遍存在的一些問題和解決方法做一簡要綜述。
　　流化技術起源于1921年，zui早應用于干燥工業化大生產是1948年美國建立的多爾—奧列弗固體流化裝置，而我國直到1958年后才開始發展此項技術。流化床干燥過程中散狀物料被置于孔板上，下部輸送氣體，使物料顆粒呈懸浮狀態，猶如液體沸騰一樣，使得物料顆粒與氣體充分接觸，進行快速的熱傳遞與水分傳遞。流化干燥由于具有傳熱效果良好、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，得到了廣泛的發展和應用。
　　1 流化床干燥設備的分類 　　
　　流化床干燥設備在不到100年的時間里，經過科研人員的不斷改進和創新，得到了長足的發展和廣泛的應用。其種類很多，根據待干燥物料性質的不同，所采用的流化床也不同，按其結構大致可分為：單層和多層圓筒型流化型、臥式多室流化型、攪拌流化型、振動流化型、離心式流化型、脈沖流化型等類型。
　　1.1 單層和多層圓筒型流化床 　　
　　zui早應用的流化床為單層圓筒型，其材料為普通碳鋼內涂環氧酚醛防腐層，氣體分布板是多孔篩板，板上小孔半徑1.5 mm，正六角形排列。 　　
　　整個干燥過程為：濕物料由皮帶輸送機運送到拋料加料機上，然后均勻地拋入流化床內，與熱空氣充分接觸而被干燥，干燥后的物料由溢流口連續溢出。空氣進入鼓風機、加熱器后進入篩板底部，向上穿過篩板，使床層內濕物料流化起來形成流化層。尾氣進入旋風分離器組，將所夾帶的細粉除下，然后由排氣機排到大氣中。此干燥器操作簡單、勞動強度低、勞動條件好、運轉周期長。 　　
　　但是由于單層圓筒流化床直徑較小，物料停留時間較長，干燥后所得產品濕度不均勻。因此發展了多層流化床，該流化床不僅可以提率，更重要的是能夠得到較為均勻的停留分布時間。為了對物料進行內擴散控制，多層流化床還先后經歷了溢流管式、下流管式和穿流板式3個階段。多層流化床的物料干燥程度均勻，干燥質量易于控制。熱效率較高，適用于降速干燥階段較長的物料以及濕含量較高（水分含量＞14%）的物料的干燥。
　　1.2 臥式多室流化床 　　
　　由于多層流化床還是存在操作困難、床層阻力大和結構復雜等缺點，為克服這些缺點，20世紀60年代末70年代初發展了一種臥式多室流化床。該設備結構簡單、操作方便，適用于各種難干燥的粉粒狀物和熱敏性物料的干燥。可以說，臥式多室流化床干燥器相當于多個方形界面流化床串統。 其主要特點：
　　（1）在相鄰隔室間安裝擋板，從而可制得均勻干燥的產品，改善了物料停留時間的分布；
　　（2）物料的冷卻和干燥可結合在同一設備中進行，簡化了流程和設備；
　　（3）由于分隔成多室，可以調節各室的空氣量，增加的擋板可避免物料走短路排出。 　　
　　該設備在制藥工業中推廣較快，目前國內有幾十個工廠用此設備來干燥各種片劑顆粒藥物、粉粒狀物料以及片狀物料。如果在操作上對各室的風量、氣溫加以調節，或將zui末幾室的熱空氣二次利用，或在床內添加內加熱器等，還可提高熱效率。
　　1.3 攪拌流化床 　　
　　為了使某些濕顆粒物料或已凝聚成團的物料亦能采用流化干燥技術，研究人員在加料口附近裝備床內攪拌葉片，使呈團狀或塊狀的物料及時打碎，以利于形成流化，這種裝備有攪拌器的流化床稱為攪拌流化床。 其優點在于：
　　（1）適合于濕含量較大、在熱氣流中不易分散的物料或者可能結塊的物料的干燥；
　　（2）可以避免溝流、騰涌和死床現象，獲得均勻的流化狀態，提高熱質傳遞強度。 　　
　　近年來攪拌流化床在制藥工業上得到了相當廣泛的應用，其常作為制藥過程的后續工藝的干燥裝置，以簡化設備及工藝，降低成本。
　　1.4 振動流化床 　　
　　隨著多級干燥的發展，振動流化床（vibrate fluidized bed，VFB）得到應用，其基本結構與普通流化床相似，是一種將機械振動加于流化床中的改良產品。物料依靠機械振動和穿孔氣流雙重作用流化，并在振動作用下向前作活塞形式的移動，利用對流、傳導、輻射向料層供給熱量，即可達到干燥的目的。 　　
　　振動流化床由于物料的輸送是由振動來完成的，供給的熱風只是用來傳熱和傳質，因此可以明顯地降低能量消耗。另外，由于床層的強烈振動，傳熱和傳質的阻力減小，提高了振動流化床的干燥速率，同時使不易流化或流化時易產生大量夾帶的塊團性或高分散物料也能順利干燥，克服了普通流化床易產生返混、溝流、粘壁等現象。
　　1.5 離心式流化床 　　
　　離心式流化床是在離心力場中進行流化干燥的一種新型干燥設備，其原理是在機械轉動造成的離心力場作用下使粒狀物料分布在絲網覆蓋的圓筒型多孔壁上，熱氣流穿過多孔壁使之流化干燥。由于離心力場的存在離心加速度可以是重力加速度的幾倍到幾十倍，因此與普通重力流化床相比較，強化了濕分在物料內部的遷移過程，干燥時間短，傳熱傳質速率高，能夠有效地抑制氣泡的生成及物料的夾帶，對于在重力流化床中難以干燥的低密度、熱敏性、易粘結的固體物料都可以有效地干燥。
　　1.6 脈沖流化床 　　
　　針對一些不易流動的物料及干燥溫度不允許超過50～80 ℃的結晶藥物，發展了脈沖式流化床。脈沖流化床改變了傳統流化床的恒定送風為周期性送風，通過調節氣流的脈沖頻率或脈沖氣流導通率，使通過孔板的氣體流量或流化區發生周期性變化，對物料進行干燥。 　　
　　其主要結構特點是在干燥濕底部的周圍裝有幾根熱空氣進口管，在每根熱空氣管上裝有脈沖閥，它們按一定的頻率和次序開啟，開啟時間與床層厚度和物料性能有關，當氣體突然引進時，在短時間內形成一個脈沖，使粒子劇烈流化，促使物料之間進行強烈的傳熱與傳質，當閥門關閉時，床層的流化狀態逐漸消失，則物料處于靜止狀態，此時仍通入部分氣體通過床層，以便下一個脈沖能有效地在床中傳遞。 　　
　　其優點在于：傳熱系數高，干燥時間短，空氣耗量減少，電能耗量低。脈沖流化床能有效克服溝流、死區和局部過熱等傳統流化床常見的弊端，因而可用于處理黏性強、易結團和熱敏性物料，如四環素類的抗生素。
　　1.7 惰性粒子流化床 　　
　　惰性粒子流化床干燥器具有將物料蒸發、結晶、干燥和粉碎在同一設備中完成的特點。此干燥器中預先裝有直徑為1～2 mm的玻璃珠，其在熱空氣的作用下呈流化狀態，物料進入流化床內，在玻璃珠相互球磨的作用下，迅速被粉碎、干燥。目前，此類流化床干燥器在制藥工業中的應用較少。
　　2 流化床干燥設備存在的問題與解決方法 　　
　　經過工程技術人員的共同努力，近年來我國的流化床干燥設備有了長足的進步。目前國內常用的流化床干燥器有：內藏熱管式流化床干燥機、ZLG振動流化床干燥機、沸騰流化床干燥機等。流化床干燥機的結構、性能都有明顯改善，質量也在不斷提高，但還存在著一些問題。
　　2.1 熱能利用的不充分 　　
　　流化床干燥設備存在熱能利用不充分的問題，導致干燥效率不理想，能耗增加。如果在流化干燥過程中物料和熱空氣接觸不緊密，就存在熱交換不*的問題，不但降低干燥效率，而且增加能耗。 　　
　　德國GEA集團的下屬公司[1]專門設計了使進氣量更加均勻與平穩的篩板，該篩板可以使流化干燥過程中熱交換更加充分和合理，并且降低了加熱空氣產生的能耗，可大幅提升經濟效益。瑞士的蘇爾壽公司和日本奈良機械[2]制造的內藏熱管式流化床干燥機，改變了以往流化床熱量全部由熱風帶入的方法，它將管式熱交換器沉浸在流態化干燥物料中，物料脫水所需熱量分別由埋管熱交換器和流化用熱空氣提供，以較小的風量滿足物料流化干燥的要求，由于部分熱量來自管內熱介質的傳導傳熱，因此大大提高了熱效率，而熱介質一般為蒸汽、導熱油等。 　　
　　此外我們還可以采用新的加熱技術或新能源來提高設備的熱效率。如在床底層埋植換熱管，利用液體潛熱進行噴霧熱交換，采用微波加熱等形式進一步提高流化床干燥設備的熱效率，從而降低能源損耗，達到經濟環保的目的。
　　2.2 被干燥物料濕度的在線監測 　　
　　流化床干燥過程中還存在無法在線監測被干燥物料濕度的問題，如果能夠在干燥過程中在線檢測物料的濕度，便可根據實際情況調整參數，提高干燥的效率。 　　
　　K.Seppälä [3]等人設計了一種在線檢測流化床干燥時物料濕度的裝置，該裝置采用雙比色皿系統，通過測量物料的電導率來檢測物料的濕度，使整個干燥過程處于可控制狀態。 　　
　　此外還有利用重量改變、紅外掃描等技術對被干燥的物料進行在線濕度檢測的報道[4]，這些方式使流化床的整個干燥過程可以加以適時調控。
　　2.3 干燥結果的差異性 　　
　　目前流化床干燥中普遍存在干燥結果差異較大的問題： 　　
　　（1）同一種物料、不同投料量的干燥結果存在差異； 　　
　　（2）不同種類物料、相同投料量的干燥結果存在較大差異。　　
　　因此，針對這兩個問題，一般都是對流化床的結構進行改進，使其設計更為合理，從而增加干燥物料的種類，而且可以提高干燥效率，降低干燥結果的差異性。 　　
　　德國GEA集團[5]針對同一種物料、不同投料量干燥結果不同的問題，設計有適用于較小量干燥物料的兩層圓筒型流化床干燥器、適用于中等規模干燥量的四層串聯流化床干燥器以及適用于大規模干燥量的矩形三層流化床干燥器。針對不同種類物料、相同投料量干燥結果不同的問題，設計有專門適用于干燥易團聚的固體物料的流化干燥器和適用于液體物料干燥的流化干燥器。 　　
　　德國的Glatt公司[6]針對同種物料、不同投料量干燥結果不同的問題，設計有間歇型流化床和連續型流化床，間歇型生產量為2 kg/h～1.5 t/h，連續型生產量為20 kg/h～5 t/h，此設計可以有效地解決同種物料、不同投料量干燥結果不同的問題。
　　2.4 特殊物料的干燥穩定性 　　
　　熱敏感物料、氧敏感的物料以及含溶劑易燃物料的干燥條件要求較高，干燥條件不合理會導致被干燥物料的降解、變質。美國的Bepex公司[7]設計的固定式流化床干燥器是一種較新的適用于熱敏感物料、氧敏感的物料和含溶劑易燃物料干燥的流化干燥設備。此流化床干燥器中具有多個區域，可在同一個裝置中進行加熱和冷卻，每個區域都可以對溫度、露點和流化速度進行獨立控制，通過調節每個區域的圍堰高度，物料在干燥器中的停留時間可相差zui多4倍。由于采用較低的蒸汽壓，熱敏感物料可在低于沸點的溫度下進行干燥，并且加入間接傳熱表面，提高干燥能力。 　　
　　此外，該設備使用了能夠將惰性氣體進行回收的封閉循環流化床系統，可以處理對氧敏感的物料和含溶劑易燃物料。
　　2.5 冷卻系統 　　
　　部分流化床干燥設備缺少冷卻系統，因此冷卻過程一般較長。目前，國內外的研究人員和生產商在設計和制造流化床時，都考慮設計并采用更為合理和的冷卻裝置，使干燥后的物料能迅速冷卻降溫，達到簡化生產過程，或直接包裝的目的。
　　3 展望 　　
　　目前，國外公司生產的流化床干燥設備由于采用了*的技術而使其生產質量得到了較好的保證，我國由于起步晚，流化床干燥設備與*水平相比有一定的差距，但隨著我國制藥工業的發展，在學習*技術和實踐經驗的基礎上，選擇特定的突破點，加大自主創新力度，一定可以縮小與*水平的差距。
　　［參考文獻］
　　[1]  Fluid Bed Drying[w]，/niro/CMSDoc.nsf/WebDoc/ndkk5hvebsFluidBedDryers
　　[2]  Fluid Bed Dryer[w], /products/fluid-bed-dryer
　　[3]  K.Seppälä，T. Närvänen，O. Antikainen，H. Räikkönen，J. Heinämäki，J. Yliruus.A new method for on-line measurement of moisture content during fluid-bed granulation. european journal of pharmaceutical sciences[J]，doi:10.1016/j.ejps.2008.02.085
　　[4]  Caroline Buschmüller，Wolfgang Wiedey，Claas Döscher et al. In-line monitoring of granule moisture in fluidized-bed dryers using microwave resonance technology. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics[J]，2008，（69）：380～387
　　[5]  CONTACT FLUIDIZERTM CFD[w]， /niro/CMSDoc.nsf/WebDoc/ndkk5hvecqCONTACTFLUIDIZERF
　　[6]  Fluid bed drying[w]，/e/01_technologien/01_04_10
　　[7]  FLUID BED DRYER[w]，/fluidbeddryer