流化干燥技术的工业应用
来源：扬州日发内刊资料时间：2013-06-01
流化床又称沸腾床，流化床技术在我国制药工业的应用应回溯到上世纪80年代，从原先的流化床干燥发展到流化床混合、流化床包衣、流化床制粒（丸）和流化床粉碎等方面的应用，在制剂应用方面由原先的固体制剂发展到其它制剂，特别在制粒干燥方面上作出了杰出的贡献。可以说，流化床技术为我国制药工业的发展意义重大，流化床赋予物料呈现的流态化性能会延伸出更多的应用，而今人们有必要把这一经典的技术发扬光大。1流化床的基本概念
1.1流化现象的概念
在一个设备中，将颗粒物料堆放在分布板上，当气体由设备下部通入床层，随气流速度加大到某种程度，固体颗粒在床层上产沸腾状态，这状态称流态化，而这床层也称流化床。采用这样方法辅于其它技术可完成物料的干燥、制粒、混合、包衣和粉碎等功能。
由于固体颗粒物料的不同特性，以及床层和气流速度等因素不同，床层可存在3种形态如图1所示。
V< Vmf V≥Vmf Vmf< V < Vt V≥Vt
死床 流化床 流化床
（1）第一阶段（固定床），当流体速度较低时，在床层中固体颗粒虽与流体相接触，但固体颗粒的相应位置不发生变化，这时固定颗粒的状态为固定床；
（2）第二阶段（流化床），当固定床阶段的流体流速逐渐增加到某一点时，固体颗粒就会产生相互间的位置移动，若再增加流体速度，而床层的压力损失保持不变，固体颗粒在床层就会产生不规则的运动，这时的床层就处于流态化；
（3）第三阶段（气流输送），当流体流速大于固体颗粒的沉降速度时，这时固体颗粒就不能继续停留在容器内，而被气流带出容器。
对制药工业应用来说，干燥、制粒、混合、包衣等是利用第二阶段运行的，对粉碎则可利用第二阶段与第三阶段而工程运行的。
1.2 聚式流态化的概念
流态化又有散式和聚式之分，而一般流化床所遇到的大都数均是聚式流态化。在聚式流态化出，固体颗粒不是以单个的形式出现，而是以颗粒团的形式出现。流态化技术在制药工业运用时，一般固体颗粒和流体密度相差较大（如热空气、惰性气体的密度很小）。在实际运用中，工艺参数和设备设计不当易造成“沟流”和“腾涌”现象如图2所示。
沟流 腾涌
（1）“沟流”，在流体通入固定床层时，由于各种原因使流体在床层中分布不均匀，使床层的局部地方产生短路，使相当多的流体通过短路流过床层。若产生“沟流”，对流化床干燥设备来说，会使干燥介质与被干燥物料接触不良，干燥效果降低。
（2）“腾涌”，当流化床内颗粒大小分布不均匀、气体通过分布不均匀以及流化床的高度与直径比较大因素时，会使床层内部气泡汇合长大，直至气泡直径大到接近于床层内径时，固体颗粒在床内形成活塞向上运动，颗粒会向上抛出很高，小颗粒被气流所夹带，大颗粒然后纷纷落下。如此循环，也会使固体颗粒与干燥介质流体接触不良，干燥效果降低。
2流化床技术及设备在制药工业应用的现状分析
流化床技术早应用于干燥工业是1948年在美国建立多尔-奥列弗固体流化装置，而我国是在1958年以后开始应用流化床技术，先是在食盐工业上应用，继后被广泛应用于化肥、颜料、塑料、制药等方面，其中，其真正应用在制药工业是在1980年以后，那时只应用在固体制剂的干燥。而今流化床技术在制药工业已从单纯的流化床干燥发展到流化床包衣、流化床制丸、流化床混合及流化床粉碎，特别是近年所延伸至包衣、制粒（丸）功能,新功能与原传统的制剂工艺相比体现出更多的优势。
2.1流化床干燥技术及设备的现状分析
2.1.1流化床干燥特性的分析
流化床干燥利用热空气流使湿颗粒悬浮，流态化的沸腾使物料热交换，把水分带走达到干燥，其采用热风流动对物料进行气-固二相悬浮接触的质热传递达到湿颗粒干燥。
2.1.1.1流化床干燥的优点
（1）由于物料和干燥介质接触面积大，同时物料在床内不断地进行激烈搅动，所以表现为传热效果良好及床层内温度比较均匀，具有很高的热容量系数（或体积传热系数），一般可达8000~25000kJ/（m3•h•℃），另具有生产能力大特点；
（2）由于流化床内温度分布均匀，从而避免了产品的任何局部的过热，所以特别适用于某些热敏物料干燥；
（3）在同一设备内可以进行连续操作，也可进行间歇操作；
（4）物料在干燥器内的停留时间，可以按需要进行调整，所以产品含水率稳定；
（5）干燥装置运动部件少，从而设备的投资费用低廉，维修工作量较小。
2.1.1.2流化床干燥的缺点
（1）被干燥物料颗粒度有一定的，一般要求不小于30微米，不大于4毫米为合适，粒度太小易被气流夹带，粒度太大不易流化；
（2）当几种物料混在一起干燥时，则要求几种物料的相对密度应接近；
（3）含水量过高易粘结成团的物料，一般不适用，同时易结壁和易粘结团的物料会在流化过程中产生结壁和堵床现象；
（4）由于流化干燥器的物料返混比较激烈，所以在单级连续式流化干燥装置中，物料停留时间不均匀，有可能发生未经干燥的物料随产品一起排出床层。
2.1.2流化床干燥设备现状的分析
流化床干燥又称沸腾干燥，其利用热空气流使湿颗粒悬浮，流态化的沸腾使物料热交换，把水分带走达到干燥。其采用对流方式干燥方式，气固两相大面积接触，表现出料床温差小、干燥速度快、成品含水均匀等沸腾干燥特点，广泛适用于产量大的品种。流化床干燥设备应用在制药工业上常有卧式沸腾床干燥机、高效沸腾干燥机等。
2.1.2.1沸腾床干燥机
沸腾床干燥机如图3所示由空气过滤器、加热器、沸腾床主机、旋风分离器、布袋除尘器、高压离心风机、操作台组成。当粉粒状固体物料由加料器加入沸腾床干燥机中，过滤后的洁净空气加热后由鼓风机送入流化床底部经多孔分布板与固体物料接触，形成流态化达到气固的热质交换，物料干燥后由排料口排出，废气由沸腾床顶部排出经旋风除尘器组和布袋除尘器回收固体粉料后排空。
沸腾床干燥机是能连续进出料，并具有产量大的特点，目前主要应用于中药冲剂生产上。但其生产效果并不如人意，主要原因表现为：（1）原始结构设计存在缺陷，结构上未能有效避免清洗死角与盲区；（2）在真正意义上达不到连续进出料要求。
该类机型国内有多家仿制，但都离不开仿国外二大代表机型，一类代表为美国Ventilex公司，已实现单机蒸发量达5000kgH2O/h；另一类是德国Glatt公司的GF系列产品，已达到单机蒸发能力1600 kgH2O/h。国产机型与这两类设备主要差异表现为：（1）床层的零压设计及控制；（2）粉尘回收装置及系列的设计；（3）为清洗SOP设计的快速拆装结构；（4）有机溶煤有效回收装置。
2.1.2.2高效沸腾干燥机
空气经加热净化后，由引风机从下部导入，穿过料斗的多孔网板。在工作室内，经搅拌和负压作用形成流态化，水分快速蒸发后随着排气带走，物料快速干燥。高效沸腾干燥机特点为：
（1）流化床为圆形结构避免死角；
（2）床内设置搅拌，避免了潮湿物料的团聚及干燥过程中形成沟流“沟流”；
（3）采用翻顷卸粒，方便迅速彻底，操作简便，清洗方便；
（4）密封负压操作，无粉尘外泄；
（5）干燥速度快，温度匀称，每批干燥时间一般在20-30分钟。
该机型是针对湿颗粒干燥设计的，由于结构简单，价格低而在我国药厂得到广泛应用，国外所占比例很小。该机尚待解决的问题是：由于内置搅拌结构，应克服密封及快卸清洗。
2.2流化床制粒（丸）技术及设备的现状分析
2.2.1流化床制粒（丸）特性的分析
流化床制粒是在流化床干燥工艺中辅助粘合剂喷雾工艺而成，流化床制粒又称一步法制粒，其集混合、制粒、干燥于一体。其原理为：利用气流作用，使粉粒产生流态化而混合。粘合剂采用气流式喷雾定量喷洒在粉体上，使其凝集，并采用热风流动对物料进行气-固二相悬浮接触的质热传递达到颗粒干燥。
2.2.1.1流化床制粒的优点
（1）集混合-制粒-干燥于一体，混合的时间、产品水分含量、干燥后制粒质量和均匀性等满足相应要求；
（2）制粒成品颗粒较松，粒度20~80目左右，且成品外观近似球形，流动性好；
（3）生产效率高、劳动强度低；
（4）混合、制粒、干燥过程均应在全封闭负压状态下，以防止粉尘污染和飞扬，受外界污染低。
2.2.1.2流化床制粒的缺点
（1）电耗较高；
（2）洗清相对困难；
（3）控制不当易产生污染。
2.2.2流化床制粒（丸）设备现状的分析
2.2.2.1沸腾制粒机
沸腾制粒机（又称一步制粒机）如图5所示是集混合-制粒-干燥于一体的设备。沸腾制粒机是目前药厂广泛选用的制粒设备，其工艺亦日趋成熟，目前国内已有70余家单位生产此类设备。沸腾制粒机特点：
（1）进风采取2～3级过滤、引风机带有消音装置，整个混合、制粒、干燥工艺过程从进风、雾化、排风都处于全封闭状态；
（2）机器的喷雾压力与粒度、进排风温度及风量、负压、粘合剂用量及浓度等应满足实际工艺要求，并使制粒快速干燥、均匀；
（3）采用多流体雾化器，且整个粘合剂喷雾有程序控制；
（4）其捕集尘布袋过滤器两端压差，能自动测查并可控，使床内保持比较佳流化状态；
（5）双捕集滤袋系统，清灰彻底。
国际上此类设备以GLATT及Aeromatic公司相应产品为代表，国内沸腾制粒机与国际同类先进技术相比，尚有很大差距，主要表现在以下几方面：
（1）介质预处理装置的设计，在GLATT及Aeromatic公司所推荐的一步制粒流程中，已纳入进风除湿功能，国内目前尚未如此设计；
（2）在配件选择方面，国外设备采用一种经纬高强度抗静电布过滤袋，清灰效果良好，风阻小，且经久耐用，而目前国内尚无此类产品供选择；
（3）在控制上，国外设备可做到工艺重复性，控制带有各相关工艺参数的连锁、反馈及与工艺要求匹配的变量差错设计，其工艺重复性强，国内尚达不到要求；
（4）在结构上，国外设备设计制作过程严格遵守GMP规范，如清洗液的排泄，动（静）部位的密封，法兰处流态化死角等方面处理是合理有效的，而国内大部分产品的制作设计上，严格来说，离GMP规范尚有距离。
然而，国际上以GLATT及Aeromatic公司相应产品为代表，其产品在全球占具大份额。虽然产品先进，但也尚存不完善之处，如国外产品的应用范围窄，机型偏重单品种，而我国药厂普遍存在品种繁多，所以要求技术设计应考虑更多的通用性。此外，原进口机型测绘的标准型通用性差。
本文属于技术探讨性文章
