流化床噴槍參數(shù)設(shè)置對(duì)包被過程中霧化效果的影響

◆作者：葉耿坪 張晶晶 朱志宏 施雯文 王文丹*

◆單位：光明牧業(yè)有限公司

流化床作為一種制粒、包衣、干燥的常規(guī)設(shè)備已廣泛應(yīng)用于制劑工業(yè)。噴槍作為流化床的核心部件，其裝置是否得當(dāng)，將決定噴槍霧化效果，從而直接影響流化床包衣和制粒的效果（黃堅(jiān)彤等，2001；梅慶勝等，2012）。影響霧化的因素有很多，本文以二流體噴槍為例，就氣壓、液體流速和噴槍設(shè)置等進(jìn)行分析討論，以期為流化床噴槍霧化參數(shù)調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 流化工藝

在一個(gè)設(shè)備中，將顆粒物料堆放在分布板上，當(dāng)氣體由設(shè)備下部通入床層，隨氣流速度加大到某種程度，固體顆粒在床層上產(chǎn)生沸騰狀態(tài)，這種狀態(tài)稱流化態(tài)，此床層也稱“流化床”，按噴液方式分為：頂噴、底噴和側(cè)噴（于海春等，2006）。在生產(chǎn)應(yīng)用中，尤其反芻動(dòng)物飼料添加劑行業(yè)（比如制備過瘤胃產(chǎn)品時(shí)），底噴流化床應(yīng)用最為廣泛。

底噴流化床，也叫流化床包衣，是借助急速上升的空氣流將小丸在包衣室內(nèi)懸浮流化，使之處于不停的流動(dòng)狀態(tài)，將包衣溶液或混懸液霧化噴入，即包裹在小丸表面，并被通入的空氣流干燥或冷卻，反復(fù)包衣直到所需厚度（田冰等，2010）。目前顆粒、微丸包衣多采用底部噴霧，與物料近距離接觸，可減少霧化液的損失，提高包衣效率。但噴槍安裝時(shí)噴槍頭風(fēng)帽和噴嘴的相對(duì)高度差、進(jìn)氣的壓力、壁材的流速等都會(huì)影響噴槍的霧化效果，從而影響包衣的質(zhì)量。

2 霧滴產(chǎn)生的原理

霧滴的大小和均勻狀態(tài)是流化床底噴包衣時(shí)的關(guān)鍵，而噴槍則是實(shí)現(xiàn)壁材霧化的關(guān)鍵部件，以二流體噴槍為例，主要由流通氣體的外套和流通壁材（溶液）的內(nèi)芯組成。在噴嘴處，高壓氣體利用其自身的高速氣流與壁材（溶液）相撞、摩擦，并將其破碎成小液滴，并以霧化的狀態(tài)噴出。高速高壓氣流產(chǎn)生的相對(duì)剪切力將溶液霧化，因?yàn)闅怏w密度小，需要高速氣體的體積很大才能產(chǎn)生足夠的能量將有一定黏度和張力的溶液霧化。理想的霧滴要求其在到達(dá)微丸表面后均勻散布，并形成一層厚度均勻的光滑連續(xù)的薄膜。

3 霧化的影響因素

在流化床包衣的過程中，影響壁材霧化效果的因素有很多，其關(guān)鍵的部件在于噴槍，其對(duì)液體的霧化效果起到了決定性作用。主要影響因素有以下3個(gè)方面：壁材的流速；氣體壓力；噴槍頭風(fēng)帽和噴嘴高度差。

3.1 壁材流速

壁材的流速直接決定了壁材在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入流化床的量，過少會(huì)霧化效果好，但同時(shí)會(huì)影響流化床的包衣效率；而流速過快會(huì)導(dǎo)致霧化不徹底，導(dǎo)致微丸表面接觸不均勻而包被厚度不均一，同時(shí)霧化不徹底，噴出的壁材會(huì)粘附多個(gè)微丸而凝集在一起，輕則導(dǎo)致流化床底網(wǎng)篩孔堵塞，重則直接導(dǎo)致包衣失敗。以水為例，如圖1 所示，圖中的分圖A、B、C、D、E 和F 分別代表在氣壓0MPa 時(shí)，壁材傳輸裝置蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為0、5、10、20、30和40 rpm/min 時(shí)的壁材流出情況。由圖可知，隨著蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速加大，壁材噴出的距離和動(dòng)力會(huì)越來越大。在給定空氣壓力時(shí)，壁材的霧化效果如圖2 所示，圖2 中的分圖A、B、C 和D 分別代表在空氣壓力為0.2 MPa，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為0、5、10 和20 rpm/min時(shí)的霧化情況。由圖可知，在蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為5 和10 rpm/min 時(shí)（圖2B 和C），噴槍的霧化效果最好，而當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到20 rpm/min 時(shí)（圖2D），在噴槍的出口處，可以隱約見到連續(xù)的液體噴出，此時(shí)若遇流化床中的微丸，勢(shì)必會(huì)發(fā)生粘連，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致結(jié)塊。此外蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為20 rpm/min 和10 rpm/min 的霧化部分表觀差異不明顯。

圖1 壓力為0 MPa 時(shí)，蠕動(dòng)泵不同轉(zhuǎn)速對(duì)壁材噴出的影響（A、B、C、D、E 和F分別表示蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為0、5、10、20、30 和40 rpm/min 時(shí)，壁材的噴出狀態(tài)）

圖2 壓力為0.2 MPa 時(shí)，蠕動(dòng)泵不同轉(zhuǎn)速對(duì)噴槍霧化效果的影響（A、B、C 和D 分別表示蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為0、5、10 和20 rpm/min 時(shí)噴槍的霧化狀態(tài)）

3.2 氣體壓力

在流化床噴槍的霧化中，高速高壓空氣是壁材霧化的關(guān)鍵動(dòng)力。在噴嘴處，高速高壓氣流產(chǎn)生的相對(duì)剪切力將溶液霧化，因?yàn)闅怏w密度小，需要高速氣體達(dá)到一定體積才能產(chǎn)生足夠的能量將有一定黏度和張力的溶液霧化。以水為例，如圖3 所示，圖中分圖A、B、C、D、E 和F 分別表示，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為5 rpm/min，氣 體 壓 力 為0、0.05、0.10、0.15、0.20 和0.25MPa 時(shí)的霧化情況，由圖3 可知，當(dāng)氣體壓力小于0.05 MPa 時(shí)（圖3B），無法將水霧化，當(dāng)氣體壓力超過0.05 達(dá)到0.1MPa 時(shí)，水才被霧化，但霧化扇面很小，相對(duì)狀態(tài)不佳。隨著氣體壓力的增大，霧化扇面逐漸增大，達(dá)到0.2MPa 時(shí)（圖3E），噴槍霧化水的狀態(tài)最好，進(jìn)一步增大氣壓至0.25MPa 時(shí)（圖3F），霧化狀態(tài)表觀無差異。因此，建議在流化床包衣，打開蠕動(dòng)泵以前將氣壓調(diào)制不低于0.2MPa 為宜。

圖3 流速5rpm/min，不同空氣壓對(duì)噴槍霧化效果的影響（A、B、C、D、E 和F 分別表示空氣壓力為0、0.05、0.10、0.15、0.20 和0.25MPa 時(shí)噴槍的霧化狀態(tài)）

3.3 噴槍頭風(fēng)帽和噴嘴相對(duì)高度差

流化床中，噴槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)置，決定壁材霧化效果。在固件設(shè)計(jì)固定的情況下，其設(shè)置就成為制約壁材霧化的關(guān)鍵因素。設(shè)置主要是調(diào)節(jié)風(fēng)帽和噴嘴的相對(duì)高度差（噴嘴頂端減去風(fēng)帽頂端的距離）。以壁材水為例，如圖4 所示，圖中分圖A、B、C、D 和E 分別代表了在蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為5rpm/min，空氣壓力為0.2MPa，噴槍風(fēng)帽和噴嘴的相對(duì)高度差為+1.0、+0.5、0.0、-0.5 和-1.0mm 時(shí)的壁材霧化情況。由圖4 可知，隨著噴嘴的高度降低（即相對(duì)高差減?。?，霧化效果越來越好，霧化扇面越來越大，當(dāng)相對(duì)高度為-1.0mm 時(shí)（即噴嘴低于風(fēng)帽1.0mm），霧化效果最好。本文只研究了相對(duì)高度差在+1.0 至-1.0mm 之間，這是試驗(yàn)所用的二流體噴槍能調(diào)節(jié)的最大范圍，對(duì)于其它噴槍的使用，僅作參考。

圖4 壓力為0.2MPa，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為5rpm/min 時(shí)，不同風(fēng)帽和噴嘴高度差對(duì)噴槍霧化效果的影響（A、B、C、D 和E 分別表示風(fēng)帽和噴嘴高度差為+1.0、+0.5、0.0、-0.5 和-1.0mm 時(shí)噴槍的霧化狀態(tài)）

4 結(jié)論

噴槍作為流化床包衣的核心固件，在設(shè)計(jì)技術(shù)一定的情況下，可以通過各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié)來最大化壁材的霧化效果。在本研究分析中，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為5rpm/min、空氣壓力0.2MPa 和噴槍風(fēng)帽與噴嘴的相對(duì)高度差為-1.0mm 時(shí)，流化床噴槍的霧化效果最好。生產(chǎn)工藝受多參數(shù)影響，任何一個(gè)參數(shù)的變化均會(huì)影響最后的結(jié)果，若要流化床的包衣效果達(dá)到最佳化，以上參數(shù)還應(yīng)結(jié)合流化床的其它設(shè)置參數(shù)（空氣溫度、壁材種類、芯材粒徑和外觀形態(tài)等）共同調(diào)節(jié)方可實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)（略）