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(xì)小的霧滴,并在熱干燥介質(zhì)中迅速蒸發(fā)溶劑形成干粉產(chǎn)品的干燥技術(shù)。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(diǎn),已越來越多地應(yīng)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(nèi)壁上,稱之為粘壁。粘壁后的物料由于長時間停留在熱的內(nèi)壁上,有可能被燒焦或變質(zhì),影響產(chǎn)品質(zhì)量。粘壁物料由于不能被引風(fēng)及時帶出干燥塔,會造成產(chǎn)品收率降低,當(dāng)粘壁現(xiàn)象嚴(yán)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(chǎn)能力下降。因此,粘壁現(xiàn)象一直是困擾噴霧干燥設(shè)計者和操作者的一大技術(shù)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(chǎn)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(diǎn)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(dá)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(dá)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(nèi)部含濕量卻超標(biāo)的現(xiàn)象,影響正常生產(chǎn)。半濕物料粘壁產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜,主要與噴霧干燥塔結(jié)構(gòu)、霧化器結(jié)構(gòu)、安裝、操作以及熱風(fēng)在塔內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。

1-1.2    低熔點(diǎn)物料的熱熔性粘壁

顆粒在干燥溫度下熔融發(fā)粘,導(dǎo)致粘附在熱壁上。其產(chǎn)生的主要原因,是由于干燥物料的軟化點(diǎn)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(xì)小,比表面積大,在噴霧塔這個有限的空間內(nèi)運(yùn)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(guān)。
 以上分類是粗略的,實(shí)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(yán)重。在生產(chǎn)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(jié)構(gòu)與材質(zhì)：在塔體設(shè)計時,若塔徑小于噴霧錐******直徑,就會在對著霧滴運(yùn)動******軌跡平面上產(chǎn)生嚴(yán)重的粘壁。為了防止物料粘壁,可以有意識地適當(dāng)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(shè)備材料費(fèi)和設(shè)備占地面積,還會降低熱風(fēng)在塔內(nèi)的運(yùn)行速度,影響干燥質(zhì)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(jié)構(gòu)能夠克服上述缺點(diǎn)。
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(jié)疤。如在噴霧干燥塔易結(jié)疤的區(qū)域內(nèi)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(jié)疤的機(jī)率，內(nèi)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(nèi)襯材料,而對于工作溫度在100～200℃的情況,應(yīng)選用聚四氟乙烯。采用高分子材料作為噴塔內(nèi)襯，設(shè)計上要充分考慮內(nèi)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(shè)備的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)的不同直接影響液體霧化分散效果,進(jìn)而影響微粒的粒徑和性能。膏狀物料粘附性極強(qiáng),不易分散,易于使已分散的物料重新粘結(jié)成團(tuán),導(dǎo)致來不及干燥而粘壁。同時膏狀物料中的水份和物料的結(jié)合狀態(tài)屬毛細(xì)管水、滲透水、吸附水和結(jié)構(gòu)水,故水份在物料中的傳遞阻力大,如不能設(shè)法將物料分散成很小的顆粒以減少傳熱傳質(zhì)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(nèi)實(shí)現(xiàn)一次物料三次氣流的二內(nèi)一外旋轉(zhuǎn)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(dá)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(dá)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,以改變霧滴大小,達(dá)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(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)噴霧圖形是一個和噴嘴軸線對稱的空心錐,霧滴應(yīng)均勻分布在噴霧錐中。當(dāng)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(chǎn)生的霧錐就不對稱了,霧錐的偏離將導(dǎo)致局部嚴(yán)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(diào)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(chǎn)生粘壁的一個原因,對于旋轉(zhuǎn)式霧化器,運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)料速率和噴頭壓力。噴霧干燥塔溫度分為進(jìn)風(fēng)口溫度和出風(fēng)口溫度。提高進(jìn)風(fēng)口溫度可以增大液滴的蒸發(fā)強(qiáng)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(chǎn)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(dá)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(dǎo)致干燥時間延長。進(jìn)風(fēng)口溫度維持不變時,提高出風(fēng)口溫度可以縮小進(jìn)出口溫度差,提高熱空氣在塔內(nèi)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(diǎn)粘壁的前提下，適當(dāng)提高干燥溫度是有利的。
進(jìn)料速率對干燥的影響主要體現(xiàn)在蒸發(fā)負(fù)荷和霧滴顆粒變化兩個方面。一方面,隨著進(jìn)料速率的增加,蒸發(fā)負(fù)荷增加,當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度不變時,出風(fēng)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(chǎn)品含濕量增加引起粘壁;另一方面,進(jìn)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(guān)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(jìn)料速率應(yīng)由小到大,逐漸控制在合理范圍內(nèi)。
在其它條件不變時,提高噴霧壓力則有利于霧滴的細(xì)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(yīng)根據(jù)物料性質(zhì)、 干燥塔的特征參數(shù)合理設(shè)置。對于離心式噴霧干燥器,就應(yīng)選擇好旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。
2.1.5熱風(fēng)在塔內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)：熱風(fēng)在塔內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)直接影響粘壁狀況。在解決石油化工產(chǎn)品噴霧干燥粘壁問題時,采用了順流風(fēng)和夾帶少量團(tuán)粒的旋轉(zhuǎn)風(fēng)相結(jié)合的方法,當(dāng)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(shí)踐證明,在總的進(jìn)塔熱風(fēng)量一定的情況下,用于保護(hù)層的風(fēng)量與用于干燥的風(fēng)量,兩者的比例會影響霧滴的干燥效果。如果保護(hù)層的風(fēng)量過大,反而使塔的粘壁增加,這是因為起干燥作用的風(fēng)量減小,霧滴在沒徹底干燥前與內(nèi)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(jié)構(gòu)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(fēng)機(jī)引入夾層,并通過每段的周向孔射入塔內(nèi),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(dāng),每段氣幕可首尾相接。這就等于把塔內(nèi)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(jié)構(gòu)上比普通干燥塔復(fù)雜些,增加了一定加工量。
引風(fēng)量對粘壁有影響。由于噴霧干燥過程是在微負(fù)壓下操作,霧滴能否達(dá)到干燥效果并及時抽走干燥物料取決于引風(fēng)量。引風(fēng)量適當(dāng)增加能夠提高噴霧干燥產(chǎn)率,但如果引風(fēng)量過大,霧滴在塔內(nèi)停留時間過短,霧滴就會產(chǎn)生半濕物料粘于塔的底部(即塔錐體);如果引風(fēng)量過小,雖然霧滴在塔內(nèi)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(fēng)旋轉(zhuǎn)流粘于塔直筒壁上。
2. 2 低熔點(diǎn)物料粘壁的解決途徑 低熔點(diǎn)物料的熱熔性粘壁決定于在干燥溫度下顆粒的性質(zhì),可根據(jù)被干燥物料的熔點(diǎn)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(fēng)溫度:如果物料熔點(diǎn)不是很低,可以采取限制塔內(nèi)溫度分布區(qū)不超過物料的熔點(diǎn)的辦法克服粘壁。根據(jù)這一特點(diǎn),采用并流操作為宜。
2.2.2 夾套冷卻法：用冷空氣冷卻塔內(nèi)壁，保持壁溫低于物料熔點(diǎn)，可以避免低熔點(diǎn)物料的熱熔性粘壁。
2.2.3 添加輔料法：低熔點(diǎn)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(jìn)行。對益腎靈顆粒、玄七通痹膠囊、枳術(shù)顆粒、感冒舒顆粒4種中藥粉的軟化點(diǎn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)上述4種浸膏中加入糊精、預(yù)膠化淀粉、黃芪粉等不同輔料后，軟化點(diǎn)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(nèi)，由塔底引入熱風(fēng)，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(jìn)入塔內(nèi)，向下噴向沸騰床中的顆粒，繼續(xù)干燥，熱風(fēng)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(dá)到相應(yīng)干燥時間后，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將顆粒吹入旋風(fēng)分離器，進(jìn)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(nèi)壁安裝一根可以旋轉(zhuǎn)的噴氣管，經(jīng)過過濾的空氣通過風(fēng)機(jī)送入吹掃桿內(nèi)，依靠其在干燥室內(nèi)圍繞塔壁旋轉(zhuǎn)并同時上下運(yùn)動進(jìn)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(zhì)物料的干粉，使?jié)裎锪系谋砻?/span>“包裹”一層粉狀抗粘結(jié)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(chǎn)過程中粉粒之間，粉粒與塔體內(nèi)壁之間摩擦而產(chǎn)生的靜電得以導(dǎo)出，可以防止靜電吸附現(xiàn)象的產(chǎn)生。
3.結(jié)論
噴霧干燥粘壁是一個常見現(xiàn)象，對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)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(diǎn)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(chǎn)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(shí)可行，但每種方法的調(diào)節(jié)范圍都有其限度，應(yīng)根據(jù)物料特性加以選擇。實(shí)際生產(chǎn)中遇到粘壁問題，首先應(yīng)進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整，不能取得效果時再考慮更換霧化器或改造塔體結(jié)構(gòu)，低溫噴霧干燥法在中藥加工中具有一定的優(yōu)勢，值得進(jìn)一步研究。