干燥工藝沸騰干燥機的應用改進建議

在固體制劑的生產(chǎn)工藝中，沸騰干燥機是經(jīng)常被選用的設備。沸騰干燥具有傳熱效果良好、生產(chǎn)能力大、溫度分布均勻、操作形式多樣、物料停留時間可調(diào)、投資費用低廉和維修工作量較小等優(yōu)點。在國內(nèi)經(jīng)過30多年的使用與改進，已顯示出其在干燥領域的獨特地位，目前在制藥、化工、食品等方面越來越體現(xiàn)出它的重要作用。

　　1．沸騰干燥機的工作原理、流程與特點；

　　1.1 工作原理

　　沸騰干燥又稱流化床干燥，它利用熱空氣流使?jié)耦w粒懸浮，流態(tài)化的沸騰使物料進行熱交換，通過熱空氣把蒸發(fā)的水分或有機溶媒帶走，其采用熱風流動對物料進行氣—固二相懸浮接觸的質熱傳遞方式，達到濕顆粒干燥的目的[1]。流化床干燥技術涉及傳熱和傳質兩個相互過程。在對流干燥過程中，熱空氣通過與濕物料接觸將熱能傳至物料表面，再由表面?zhèn)髦廖锪蟽?nèi)部，這是一個傳熱過程;而濕物料受熱后，表面水分首先氣化，而內(nèi)部水分以液態(tài)或氣態(tài)擴散到物料表面，并不斷氣化到空氣中，使物料的水分逐漸降低，完成干燥，這是一個傳質過程。

　　1.2 工作流程

　　物料通過料車運送到沸騰床，在氣缸頂升作用下通過密封圈與沸騰床密封。然后，空氣在引風機動力作用下，經(jīng)過濾裝置凈化、散熱器加熱后，再經(jīng)氣流分布板(篩網(wǎng))分配進入沸騰床(干燥室)。料斗內(nèi)的物料在熱風和攪拌作用下形成沸騰狀態(tài)(即流態(tài)化)，在大面積氣、固兩相接觸中，物料內(nèi)部的水分(或溶劑)在較短的時間內(nèi)蒸發(fā)并隨排出空氣帶走，物料被干燥。

　　1.3 技術特點

　　(1) 傳熱效果良好，床層內(nèi)溫度比較均勻，具有很高的熱容量系數(shù)(或體積傳熱系數(shù))，生產(chǎn)能力大;

　　(2) 由于流化床內(nèi)溫度分布均勻，可避免產(chǎn)品的任何局部過熱，所以特別適用于某些熱敏物料的干燥(如磨芋、聚丙烯酰胺等);

　　(3) 在同一設備內(nèi)可以進行連續(xù)操作，也可進行間歇操作;

　　(4) 物料在干燥器內(nèi)的停留時間可以按需要進行調(diào)整，所以產(chǎn)品含水率穩(wěn)定;

　　(5) 獨立電氣柜和PLC人機交互操作控制，集成了所有干燥參數(shù)設置，操作安全方便;

　　(6) 干燥裝置機械傳動部件少，設備的投資費用低廉，維修工作量較小。

　　2．對沸騰干燥機的改進建議

　　經(jīng)過長期的應用和發(fā)展，沸騰干燥機在結構、性能方面都有了明顯的改善，質量也在不斷提高，但還存在著一些問題，下面結合生產(chǎn)實踐提出改進建議：

　　2.1 對熱能利用不充分的改進建議

　　沸騰干燥機從形式上來說是一種空氣對流干燥設備，與傳導型干燥設備相比，能耗確實要大一些，但如果采取一些措施，則可以達到很好的節(jié)能效果。建議：(1) 加強設備的密封效果。目前大多數(shù)沸騰干燥機料斗與設備本體采用平面法蘭連接，密封效果較差，建議設計時改用凹凸面法蘭連接;進口泵卡斯特紅酒; (2) 干燥器不少都采用鋼管纏繞翅片進行換熱，鋼管雖可節(jié)約材料成本，但換熱效果不好，建議改用銅管; (3) 增加保溫措施。對熱交換器的外殼添加保溫層，減少熱能損失。

　　2.2 對捕集除塵裝置的改進建議

　　能夠順利進行流化工藝操作的基本條件是物料具有良好的流化狀態(tài)，高效率的過濾除塵器使這種狀態(tài)得以延續(xù)。過濾除塵器的除塵效率很大程度上決定了沸騰效果。目前使用的除塵方式主要有抖袋除塵和脈沖反吹除塵兩種。

　　2.2.1 抖袋除塵

　　通過氣缸的往復運動實現(xiàn)捕集袋的搖振而達到除塵效果，其布袋采用防靜電、無纖維脫落布制作，捕集袋采用整體吊裝的形式。問題是布袋過濾器拆裝不方便，吊筋選材不太合理容易引起變形，導致密封不嚴，也會引起跑粉和風量的變化，既污染了環(huán)境，又降低了產(chǎn)品收率。建議：過濾袋采用卡箍連接方式進行連接，吊筋選用不易變形的剛性材料，同時定期檢查更換布袋。

　　2.2.2 脈沖反吹除塵

　　隨著國產(chǎn)電磁閥技術的進一步提高與價位的進一步降低，脈沖反吹除塵逐漸成為捕集裝置的主流。目前采用的濾芯主要有布袋和不銹鋼燒結網(wǎng)兩種。其中，不銹鋼燒結網(wǎng)濾芯是唯一對任何物料收率均能保證達到99%以上的產(chǎn)品。由于現(xiàn)在清洗技術的難題已基本解決，不銹鋼燒結網(wǎng)濾芯在收率和使用壽命方面的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，藥廠使用也越來越多。

　　另外，隨著環(huán)境保護的要求越來越高，建議完善除塵系統(tǒng)，增加二次除塵裝置。

　　2.3 關于氣流分布板(篩網(wǎng))的改進建議

　　沸騰干燥機中的氣流分布板有兩個作用，一是支承物料層，二是使氣體分布均勻。分布板開孔的大小、形狀、分布態(tài)勢、開孔率等都對流體的分布起著至關重要的影響。氣體分布不均勻，會使床層中出現(xiàn)“環(huán)流”，其趨于極端易使床層中某些部位出現(xiàn)“溝流”，而其余部位則是死床，這時大部分氣體順著床層中的某些通道以“溝流”的形式短路通過床層離去，使氣固接觸大為惡化，這是應該著力避免的。良好的分布板設計，應能抑制床層中出現(xiàn)不均勻性，即當床層中某些部位由于壓降降低、氣流速度增高時，分布板所產(chǎn)生的阻力應能抑制氣流的增加，從而抑制流化的惡化。

　　目前大部分沸騰干燥機使用的氣流分布板形式單一，多采用垂直的打孔板或席形網(wǎng)板，物料在流化過程中很容易出現(xiàn)流化不均或產(chǎn)生死角等問題，不能確保顆粒中藥品的均勻度，同時單一的開孔形式也不能滿足不同藥品的生產(chǎn)工藝要求。另一方面，為了減少藥品的漏料損失，目前普遍采用多層網(wǎng)結構，氣流分布板和沸騰床體多采用大量螺栓固定，拆卸不方便，不易清洗干凈而產(chǎn)生殘留引起交叉污染等問題。建議：利用計算機流體動力學模型、傳熱與傳質模型，在氣流分布板設計時對孔距、孔徑、開孔率等參數(shù)進行空氣動力學、熱力學仿真計算并驗證，以滿足不同物料的生產(chǎn)工藝要求。在安裝方式上，連接方式制成可拆卸式，以確保實現(xiàn)快裝和徹底、完全的清洗。

　　2.4 對完善進風空氣處理的建議

　　熱空氣的采風口一般設置在輔機房，和加熱裝置、消音器安裝在一起，輔機房與潔凈區(qū)不設置直通的門窗，輔機房的空氣潔凈級別往往比較低，會影響藥用熱空氣的質量，這就要求設備本身有良好的凈化裝置，否則未凈化的空氣會污染藥品，難以達到GMP要求。

　　目前國內(nèi)許多設備對空氣處理單元的配置為：初效過濾器—中效過濾器—蒸汽加熱(或電加熱)—(亞)高效過濾器�？諝馓幚硐到y(tǒng)雖然配置了初、中、高效過濾器，但隨著運行時間的不斷增加，高效過濾器會出現(xiàn)堵塞或者破損，目前只能從外觀上來鑒別判斷是否需要更換，缺乏理論依據(jù)。提早更換會增加成本，推遲更換又會帶來空氣質量下降的風險，從而影響產(chǎn)品的質量。建議：在高效過濾器前后增加壓差顯示裝置，當壓差到達一定的數(shù)值后報警提示更換。

　　此外，大多設備沒有除濕裝置，空氣除濕問題始終存在，特別是在春末和夏季，空氣濕度很大，如果不進行除濕會對物料的干燥產(chǎn)生很大影響。建議：增加除濕裝置。

　　許多設備的引風機與風閥不聯(lián)動，這可能會導致在風機停機和蝶閥關閉之間引起空氣倒流的現(xiàn)象。建議：風機的啟停與風閥的開關聯(lián)動起來，當風機啟動時風閥同時打開，而當風機停止運行時，風閥同步關閉，以保證不會發(fā)生空氣倒流。

　　2.5 對設備與生產(chǎn)工藝結合不夠的改進建議

　　干燥工藝流程與設備設計不合理，會導致能量損失很大。為徹底解決這些問題，必須對產(chǎn)品的干燥特性進行系統(tǒng)的研究，以確定最佳的干燥工藝參數(shù)，如對被干燥物料的性質進行研究。物料本身的性質是影響干燥的最主要因素，物料的形狀、大小、堆積厚度、水分的結合方式、化學特性等都會影響干燥速率。國內(nèi)除少數(shù)企業(yè)外，大部分設備制造企業(yè)缺乏對制劑工藝技術的了解和進行工藝試驗的必要條件，對各種物料的使用條件了解也不是很充分，故導致研發(fā)不足，很難進行新品種開發(fā)。

　　2.6 對控制系統(tǒng)的改進建議

　　目前，流化床類設備的操作參數(shù)一般以操作人員的經(jīng)驗設定為主，但其完全可以實現(xiàn)智能化，對工藝參數(shù)也可以實現(xiàn)追溯，這就對流化床類設備的電氣控制系統(tǒng)提出了較高要求。在電氣控制系統(tǒng)中，需要有檢測溫度、濕度、壓力、壓差、風速、操作時間、粉塵濃度等一系列裝置并得到基礎數(shù)據(jù)，然后通過變送器輸送和存儲到觸摸屏中，由觸摸屏對數(shù)據(jù)進行儲存分析，然后制定一個合適的工藝路線，即可實現(xiàn)智能化控制。

　　2.6.1 溫度控制

　　常用熱風加熱控制方式采用簡單的“開”、“關”模式，當溫度達到設定值時停止通汽，但換熱器仍然有余熱使空氣溫度繼續(xù)上升，反之亦然，這樣會造成溫度波動過大，影響設備的干燥質量。建議：通過控制蒸汽流量的大小來保持進風溫度的高低，開始升溫時蒸汽流量較大，使進風溫度盡快接近設定值，然后自動調(diào)節(jié)蒸汽量使其緩緩接近設定值，最后保持穩(wěn)定的蒸汽量使進風溫度保持穩(wěn)定。

　　2.6.2 進風量控制

　　大多的風量控制設備采用變頻調(diào)速控制，但沒有安裝風量測量元件，生產(chǎn)過程中只能根據(jù)物料的流化狀態(tài)隨時通過人工進行風量大小的調(diào)節(jié)，因此不能保證風量的穩(wěn)定和風量的相對恒定，而物料的變化、過濾袋阻力的變化等因素都會對風量的穩(wěn)定造成影響，風量的變化又可影響干燥速度。建議：在進風管安裝風量測量元件，實現(xiàn)自動控制，根據(jù)風量大小自動調(diào)節(jié)頻率，從而保持生產(chǎn)過程中風量的基本恒定。

　　2.6.3 在線濕度檢測

　　增加在線濕度檢測裝置。方便用戶根據(jù)實際情況調(diào)整參數(shù)，提高干燥的效率。

　　2.6.4 沸騰干燥工藝的重復性和可追溯性

　　在實際生產(chǎn)中，操作人員對每次生產(chǎn)的設備工藝參數(shù)都要重新進行設定和修改，不能保證同樣的產(chǎn)品采用同樣的設備工藝參數(shù)進行生產(chǎn)，也就談不上追溯性。根據(jù)GMP，要求設備能夠儲存一定量的生產(chǎn)工藝參數(shù)，確保生產(chǎn)的重復性和可追溯性，各個用戶根據(jù)品種的多少來設定。沸騰干燥設備一般要求能夠存儲50種生產(chǎn)工藝，而目前國產(chǎn)設備大多做不到這一點。建議對PLC控制系統(tǒng)、機械執(zhí)行機構進行改進和擴展，使功能更完善。如具有足夠的內(nèi)存，能夠儲存多種生產(chǎn)工藝，提供現(xiàn)場打印參數(shù)、數(shù)據(jù)保存、進行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)PC連接功能等。

　　3．結語

　　本文從流化床式沸騰干燥機的工作原理等入手，結合工藝操作參總結了生產(chǎn)過程中的一些問題，并簡要提出了該類設備改進的建議，希望設備生產(chǎn)廠家今后能研發(fā)出更多的能滿足制藥生產(chǎn)過程工藝要求、性能參數(shù)指標先進、可操作性強、環(huán)保、節(jié)能及經(jīng)濟技術指標先進的制藥干燥設備。

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