噴霧干燥為什么會粘壁？到底該如何解決？
噴霧干燥是利用霧化器將料液分散為細小的霧滴,并在熱干燥介質中迅速蒸發(fā)溶劑形成干粉產品的干燥技術。噴霧干燥具有蒸發(fā)面積大、 干燥時間短(數(shù)秒至數(shù)十秒)、 對有效成分破壞少等優(yōu)點,已越來越多地應用于熱敏性材料的干燥。在噴霧干燥過程中,被干燥的物料粘在干燥塔內壁上,稱之為粘壁。粘壁后的物料由于長時間停留在熱的內壁上,有可能被燒焦或變質,影響產品質量。粘壁物料由于不能被引風及時帶出干燥塔,會造成產品收率降低,當粘壁現(xiàn)象嚴重時,為了清除粘壁物料,不得不中途停止噴霧干燥,使操作周期延長,生產能力下降。因此,粘壁現(xiàn)象一直是困擾噴霧干燥設計者和操作者的一大技術難題。本文對粘壁原因作出分析,并針對性地提出了解決措施
1．粘壁類型與產生的原因
料液噴霧干燥粘壁可劃分為3種 類型:半濕物料粘壁、低熔點物料的熱熔性粘壁和干粉表面粘附。
1-1.1 半濕物料粘壁:
噴出的液滴在沒有達到表面干燥之前就和塔壁接觸,因而粘在熱壁上。粘壁的物料越積越厚,在達到一定厚度時便以塊狀形式自由脫落。這種類型的粘壁往往造成塊狀物料表面被燒焦,而內部含濕量卻超標的現(xiàn)象,影響正常生產。半濕物料粘壁產生的原因較為復雜,主要與噴霧干燥塔結構、霧化器結構、安裝、操作以及熱風在塔內的運動狀態(tài)有關。
1-1.2 低熔點物料的熱熔性粘壁
顆粒在干燥溫度下熔融發(fā)粘,導致粘附在熱壁上。其產生的主要原因,是由于干燥物料的軟化點低于干燥溫度,造成粘壁。
1-1.3 干粉表面粘附
噴霧干粉由于顆粒細小,比表面積大,在噴霧塔這個有限的空間內運動,總有些顆粒碰到器壁而粘附其上。干粉粘附程度與塔壁的幾何形狀、粗糙程度、 空氣流速、 靜電力等有關。
以上分類是粗略的,實際操作過程中可能以一種粘壁類型為主,也可能幾種類型的粘壁都比較嚴重。在生產中要根據(jù)具體情況,有針對性的加以解決。
2．噴霧干燥粘壁的解決途徑
2.1半濕物料粘壁的解決途徑
2.1.1改良干燥塔的結構與材質：在塔體設計時,若塔徑小于噴霧錐******直徑,就會在對著霧滴運動******軌跡平面上產生嚴重的粘壁。為了防止物料粘壁,可以有意識地適當加大塔壁直徑,使半干物料碰不到壁面就向下掉落。這個辦法有緩解粘壁的作用,但塔徑不宜過大,否則不僅增加設備材料費和設備占地面積,還會降低熱風在塔內的運行速度,影響干燥質量。立式圓錐形噴霧干燥塔容易在錐體部位粘壁,采用立式圓柱體結構能夠克服上述缺點。
噴霧干燥塔塔體多由不銹鋼、碳鋼或鋼筋混凝土制成,這些材料均有親水性,易被濕物料粘附而結疤。如在噴霧干燥塔易結疤的區(qū)域內襯接觸角大于90℃的疏水性材料,特別是高分子材料,可有效地減少噴霧干燥塔結疤的機率，內襯材料的選擇要根據(jù)噴霧干燥塔工作溫度來確定,如果工作溫度低于100℃,可選擇聚丙烯、聚苯乙烯等作為內襯材料,而對于工作溫度在100～200℃的情況,應選用聚四氟乙烯。采用高分子材料作為噴塔內襯，設計上要充分考慮內襯層與塔體熱膨脹系數(shù)的差異。
2.1.2合理選擇霧化器：霧化器又稱噴嘴,是噴霧干燥設備的關鍵部件,其結構的不同直接影響液體霧化分散效果,進而影響微粒的粒徑和性能。膏狀物料粘附性極強,不易分散,易于使已分散的物料重新粘結成團,導致來不及干燥而粘壁。同時膏狀物料中的水份和物料的結合狀態(tài)屬毛細管水、滲透水、吸附水和結構水,故水份在物料中的傳遞阻力大,如不能設法將物料分散成很小的顆粒以減少傳熱傳質阻力,干燥時間的延長也是造成粘壁的重要原因。故采用在一個噴嘴內實現(xiàn)一次物料三次氣流的二內一外旋轉混合的霧化器,便于拆卸安裝,直徑不超過10 mm的雜物不會受堵,達到比較理想的霧化效果,避免膏狀物料噴霧干燥的粘壁問題。
鑒于粘度高的物料難以霧化,在研究中藥桔梗浸膏噴霧干燥時,主張采用三流體式噴嘴代替二流體式噴嘴,并通過提高料液溫度以降低其粘度、增大氣液比等手段提高霧化效果,達到減輕粘壁的目的。采用四流式霧化噴嘴可使霧滴的比表面積增加10倍,提高霧滴尺寸分布均勻度,提高霧化效果，具有連續(xù)調節(jié)轉速功能的變頻離心霧化器非常適宜食用菌多糖噴霧干燥,可以根據(jù)多糖的品種、濃縮液的含固量調節(jié)轉速,以改變霧滴大小,達果到少粘或不粘塔壁的效果。
2.1.3霧化器的正確安裝：氣流式噴嘴和壓力式噴嘴產生的標準噴霧圖形是一個和噴嘴軸線對稱的空心錐,霧滴應均勻分布在噴霧錐中。當氣流式噴嘴的氣體通道與液體通道軸心不重合,或壓力式噴嘴孔不圓時,產生的霧錐就不對稱了,霧錐的偏離將導致局部嚴重粘壁。
如果噴霧塔中只安裝一個噴嘴,則噴嘴的軸線要安裝在塔的中心線上,即二者重合。如果需要安裝多個噴嘴,則各噴嘴霧矩間不能重疊,通過調節(jié)噴射角度使霧滴不要直接噴射到對面的壁上。噴嘴的振動也是產生粘壁的一個原因,對于旋轉式霧化器,運轉時特別要防止振動。
2.1.4選用適宜的操作工藝條件：對于氣流式噴霧干燥塔,操作工藝參數(shù)主要涉及干燥溫度、進料速率和噴頭壓力。噴霧干燥塔溫度分為進風口溫度和出風口溫度。提高進風口溫度可以增大液滴的蒸發(fā)強度,使液滴在接觸塔壁之前表面就已經(jīng)固化,可有效地減少粘壁損失,提高產品收率。此外,溫度對顆粒粒徑有較大影響,溫度較低時,溶液霧滴達到過飽和的時間延長,瞬間成核速度降低,成核數(shù)量減少,因此,所得微粒粒徑增大,導致干燥時間延長。進風口溫度維持不變時,提高出風口溫度可以縮小進出口溫度差,提高熱空氣在塔內的平均溫度,加快干燥速率,有效防止粘塔現(xiàn)象。因此,在物料不失活和沒有低熔點粘壁的前提下，適當提高干燥溫度是有利的。
進料速率對干燥的影響主要體現(xiàn)在蒸發(fā)負荷和霧滴顆粒變化兩個方面。一方面,隨著進料速率的增加,蒸發(fā)負荷增加,當進風口溫度不變時,出風口溫度降低,從而使霧滴與空氣之間的對數(shù)平均溫度差Δtm變小,產品含濕量增加引起粘壁;另一方面,進料速率的增加引起霧滴顆粒變大，干燥所需時間τ與液滴直徑d之間的關系可用下式表示：
τ=1.04×10-4d1.87 (1)
由式(1)可見,霧滴直徑變大,所需干燥時間延長,物料粘壁就更容易發(fā)生。因此,進料速率應由小到大,逐漸控制在合理范圍內。
在其它條件不變時,提高噴霧壓力則有利于霧滴的細化,因為霧滴的直徑與噴霧壓力的平方根成反比。
d√p tgα/2 =常數(shù)?(2)式中:d-霧滴直徑,m;?p-噴霧壓力, Pa; α-霧錐角, rad。
霧滴直徑變小可以加快蒸發(fā)的速度,縮短干燥的時間,從這個角度講有利于避免物料粘壁。但另一方面,噴霧壓力的升高可以提高霧滴的噴射初速度,引起射程的增加,使一些霧滴在尚未干燥前就粘貼在塔壁上。
綜上所述,噴頭壓力也有一個合適范圍,應根據(jù)物料性質、 干燥塔的特征參數(shù)合理設置。對于離心式噴霧干燥器,就應選擇好旋轉盤轉速。
2.1.5熱風在塔內的運動狀態(tài)：熱風在塔內的運行狀態(tài)直接影響粘壁狀況。在解決石油化工產品噴霧干燥粘壁問題時,采用了順流風和夾帶少量團粒的旋轉風相結合的方法,當二者流量分別為180m3/h和120m3/h時,即二者比值1.5時，塔壁沖刷干凈,取得了滿意效果。實踐證明,在總的進塔熱風量一定的情況下,用于保護層的風量與用于干燥的風量,兩者的比例會影響霧滴的干燥效果。如果保護層的風量過大,反而使塔的粘壁增加,這是因為起干燥作用的風量減小,霧滴在沒徹底干燥前與內壁接觸而粘附。
采用多段氣幕封壁法對解決乳品粘壁有較好的效果。該方法的原理是對常規(guī)干燥塔結構加以改造,采用自上而下直徑逐漸增大的塔壁,并在每段上部沿周向開若干個小孔,在塔外增加一層直徑不變的外壁,形成一個夾層。冷空氣由風機引入夾層,并通過每段的周向孔射入塔內,流體沿垂直向下方向形成氣幕。如果流體速度、空氣流量適當,每段氣幕可首尾相接。這就等于把塔內壁用氣流封住,以防止半干物料粘附在塔壁上。這套方案在塔體結構上比普通干燥塔復雜些,增加了一定加工量。
引風量對粘壁有影響。由于噴霧干燥過程是在微負壓下操作,霧滴能否達到干燥效果并及時抽走干燥物料取決于引風量。引風量適當增加能夠提高噴霧干燥產率,但如果引風量過大,霧滴在塔內停留時間過短,霧滴就會產生半濕物料粘于塔的底部(即塔錐體);如果引風量過小,雖然霧滴在塔內停留時間延長,但不能把干燥物料及時抽走,霧滴會粘附于干燥物料表面,隨熱風旋轉流粘于塔直筒壁上。
2. 2 低熔點物料粘壁的解決途徑 低熔點物料的熱熔性粘壁決定于在干燥溫度下顆粒的性質,可根據(jù)被干燥物料的熔點加以判斷。對這種類型的粘壁,可采用下列解決措施。
2.2.1控制熱風溫度:如果物料熔點不是很低,可以采取限制塔內溫度分布區(qū)不超過物料的熔點的辦法克服粘壁。根據(jù)這一特點,采用并流操作為宜。
2.2.2 夾套冷卻法：用冷空氣冷卻塔內壁，保持壁溫低于物料熔點，可以避免低熔點物料的熱熔性粘壁。
2.2.3 添加輔料法：低熔點物料粘壁在中藥浸膏噴霧干燥中較為常見，如果在浸膏中加入適量輔料如糊精、淀粉等，可使噴霧干燥順利進行。對益腎靈顆粒、玄七通痹膠囊、枳術顆粒、感冒舒顆粒4種中藥粉的軟化點進行了研究，發(fā)現(xiàn)上述4種浸膏中加入糊精、預膠化淀粉、黃芪粉等不同輔料后，軟化點提高了57-106℃，噴霧干燥過程中均未發(fā)生粘壁現(xiàn)象。
2.2.4低溫噴霧干燥法：一步造粒中藥干燥塔的干燥工藝是一種間隔排料方式，噴嘴由塔頂插入并保持在塔體圓筒正中，攪拌裝置置于追星床底部，攪拌槳葉伸入床層中。操作時先將一定量的干燥輔助顆粒加入塔內，由塔底引入熱風，將輔助顆粒吹動成沸騰狀，待床層溫度聲至80℃后，藥液經(jīng)過噴嘴霧化后進入塔內，向下噴向沸騰床中的顆粒，繼續(xù)干燥，熱風終溫度維持在95℃，被干燥的顆粒層高度不斷增長，至接近出口位置，停止噴藥液，繼續(xù)通熱空氣達到相應干燥時間后，提高風機轉速將顆粒吹入旋風分離器，進行排料。采用上述低溫干燥、顆粒撞擊干燥方式，能夠有效解決噴霧干燥粘壁問題。
2.3 干粉表面粘附 感奮表面粘附形成的粘壁厚度很薄且不堅固，容易被空氣吹掉，克服辦法主要有以下幾種措施：
2.3.1采用冷空氣吹掃，在塔筒切線方向引入冷空氣，吹掃易發(fā)生粘壁的部位，也可以沿塔內壁安裝一根可以旋轉的噴氣管，經(jīng)過過濾的空氣通過風機送入吹掃桿內，依靠其在干燥室內圍繞塔壁旋轉并同時上下運動進行吹掃，以此減少因干粉末附著而引起的粘壁現(xiàn)象。
2.3.2添加填料法 添加流動性好的填料可以減輕粘壁，休止角小于300的干粉物料流動性能良好，可以作為篩選填料的依據(jù)。對于表面呈粘性的糖類，可以使用滑石粉，二氧化硅或相同性質物料的干粉，使?jié)裎锪系谋砻?/span>“包裹”一層粉狀抗粘結物。
2.3.3消除靜電法 噴霧塔以及顆粒帶電均能增加干粉的粘附，對干燥塔做好接地，使生產過程中粉粒之間，粉粒與塔體內壁之間摩擦而產生的靜電得以導出，可以防止靜電吸附現(xiàn)象的產生。
3.結論
噴霧干燥粘壁是一個常見現(xiàn)象，對產品質量、產量均有不利影響，物料粘壁主要存在三種情況：半濕物料粘壁，低熔點物料的熱熔性粘壁，干粉表面附著；本文分析了上述三種類型粘壁現(xiàn)象產生的原因，并針對性的提出解決問題的措施。需要指出的是：選用以上方法雖然解決噴霧干燥粘壁問題切實可行，但每種方法的調節(jié)范圍都有其限度，應根據(jù)物料特性加以選擇。實際生產中遇到粘壁問題，首先應進行工藝參數(shù)的調整，不能取得效果時再考慮更換霧化器或改造塔體結構，低溫噴霧干燥法在中藥加工中具有一定的優(yōu)勢，值得進一步研究。
