流化床干燥器范文（精选6篇）
流化床干燥器 第1篇
1.1 概述
干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分 (大多数情况下是水) 而获得一定湿含量固体产品的过程。湿分以松散的化学结合形式或以液态溶液存在于固体中, 或积集在固体的毛细微结构中, 这种液体的蒸汽压低于纯液体的蒸汽压, 称之为结合水, 而游离在表面的湿分则称为非结合水。
干燥分两个过程, 并先后控制干燥速率。
过程1:能量从周围环境传递至物料表面, 是表面湿分蒸发, 液体以蒸汽形式从物料表面排除, 这个过程的速率主要取决于温度、空气温度、湿度和空气流速、暴露的表面积和压力等外部条件。此过程称为外部条件控制过程, 也称为恒速干燥过程。
过程2:内部湿分传递到物料表面, 随之再发生表面蒸发, 物料内部湿分的迁移是物料性质、温度和湿含量的函数, 此过程称内部条件控制过程, 也称降速干燥过程。
干燥速率由上述两个过程中较慢的一个速率控制。
1.2 影响干燥过程的条件
1.2.1 外部条件控制过程
由上述的定义, 影响过程1的外部条件主要是温度、湿度、空气的流速和方向、物料的物理形态、搅动状况, 以及在干燥操作时干燥器的持料方法。
在这个过程, 排除的主要是非结合水, 也就是游离在物料表面的湿分。
1.2.2 内部条件控制过程
物料表面没有充足的自由水分时, 热量开始向物料内部传递并形成温度梯度, 这样温度向物料内部传递, 而湿分从物料内部向表面迁移, 从而达到干燥的目的。
对于这个过程, 强化手段比较有限, 在允许的情况下, 适当减小物料的尺寸 (降低湿分或汽体扩散阻力) 、施加振动、脉冲、超声波有利于内部水分的扩散。
干粉车间主要采用的是减小物料尺寸, 施加振动的方式。
2 颗粒性质对流化行为的影响
2.1 流态化现象
在干燥器日常使用中, 经常发生结块现象, 严重影响车间的产品产量、物耗、能耗和装置平稳率, 因此对流化现象的观察是干燥器运行过程中的一项重要工作。
干粉车间采用的气固流态化模式, 通过气体与固体的对流带走物料湿分从而达到干燥作用。
当空气速度 (以下简称气速) 很小时, 固体颗粒静止, 气体通过颗粒间隙流过床层, 此床称固定床。
当气速增加到一定程度, 干燥器的压降 (即我们所说的平衡压) 刚好平衡床层颗粒的重力时, 床层开始膨胀而流化, 此时的气速称为初始流化速度。
当气速继续增加时, 总压降不会变化, 流化状态为散式流化。
再进一步提高气速, 出现鼓泡, 压强波动明显, 此称鼓泡床, 并称为聚式流态化。
聚式流态化有三种情况:鼓泡床、节涌床 (沸腾床) 、湍动床。以下是几种流态化的模拟图:
正常的流化状态是散式流化, 聚式流化是非正常现象。
2.2 颗粒对流化行为的影响
2.2.1 颗粒直径对流化行为的影响
Geldart颗粒分类将颗粒分为C、A、B、D四种。其中A、B两类是干粉车间在干燥器中最常出现也是影响干燥效果最大的两种颗粒。
A类颗粒为细颗粒, 也就是我们常说的细粉颗粒, 粒度为30-100微米。A类颗粒的鼓泡速度明显高于初始流化速度。
B类颗粒为粗颗粒或鼓泡颗粒, 粒度为100-600微米, 也就是我们造粒机规定的造粒粒度。B类颗粒初始鼓泡速度鱼初始流化速度相等, 气速一旦超过初始流化速度床层内即出现两相, 即气泡相和密相, 密相中气固返混较小。
从两种颗粒性质可以看出, 要达到正常颗粒的初始流化速度, A类颗粒大量的存在很容易形成鼓泡床从而造成物料团聚, 形成聚式流化, 产生结块。
在实际生产中, 在采集2010年七线生产抗盐产品时与八线生产中分的干燥器结块对比后发现, 七线产品细粉含量较高, 干燥器前段温度上升快, 而到干燥器中后段产生结块, 甚至会在干燥器三角区结块。
而八线由于中分缺少一道后水解工艺, 减少了螺杆的研磨, 细粉较少。干燥器前段物温一直在工艺控制范围的下限, 但结块大部分产生在前段, 中后段结块时间较少。
2.2.2 休止角对流化行为的影响
休止角, 也称自然堆角, 他的定义用图示比较直观, 见下图:
其中角A就是颗粒的休止角。
对于同一种物料, 颗粒越小, 其休止角越小, 微粒子相互之间的粘附性增大。因此同种物料的颗粒, 粒度越小的情况下, 越容易在干燥过程中因为粘附性的增大而降低流化效果, 从而使得干燥器物料结块。这种情况在干燥器运行过程中最为常见。
在日常干燥器运行过程中, 靠近四壁的角落, 时常会产生轻微结块, 最初大部分人都以为是干燥器四壁是热空气无法吹到的死角从而造成结块。
而分析这些清理出来的结块后可以发现, 这些细粉堆积组成的, 成块的物料很软, 结块物料80%以上由细粉组成。而正常颗粒的物料在四壁结块这样的情况也存在, 但是细粉结块占有较大的比例。
3 干燥器的选择对流化行为的影响
3.1 干燥器的分类
干燥器有很多种分类方法。
第一种是以传热方法为基础的分为四类:1) 传导加热;2) 对流加热;3) 辐射加热;4) 微波和介电加热。干粉车间采用的都是对流加热型的干燥器。
第二种是根据干燥器容器的类型可大致分为:托盘、转股、流化床、气流或喷雾。干粉车间采用的是流化床式干燥器, 流化床干燥器应用广泛且适合大型干燥机床使用。
第三种是按照产品在干燥器中停留的时间分类:1) <1m i n的闪急、喷雾、转鼓干燥器;2) >1h的隧道、小推车或带式干燥器。3) 介于两者之间的干燥器。干粉车间采用的干燥器及大多数的干燥器均属于第三种。
3.2 振动式流化床
我们干粉车间采用的都是电机驱动机构和板弹簧提供激振力的震动流化床, 他的优点是固体颗粒混合较好, 气固两相的传热传质表面积大。但是不足主要有以下几点:
(1) 出力的颗粒要大于50-100微米, 不然会产生沟流和滞动区, 从而造成结块;
(2) 颗粒粒度分布较宽的时候, 挟带严重;
(3) 颗粒温度较大时容易形成结块或团聚;
(4) 对于切片、细条、延展性好的物料不能很好流化。
以上四种情况在日常干燥器运行过程中会经常发现, 现一一对比说明。
第一种情况:在车间未采用新型细粉回掺设备之前, 旧式细粉回掺水量的调节直接影响到干燥器的运行状况, 细粉回掺设置在B预研磨上部, 而细粉回掺水量未调节好的话, 在出B预研磨物料时, 干燥器物温上升快, 而风温不高, 转数提高后, 物料很容易形成聚式流化, 而物温仍然持续上升, 风温上升速度较慢, 继续提高转数则会形成沟流或者滞动区域, 20-30分钟左右即能形成大范围结块, 从而影响干燥器运行平稳率和产品产量。
第二种情况是造粒机刀间隙未调好、筛板规格不符合规定、筛孔大小不一或者是透明物料占大多数时, 在干燥过程中, 经过4030风机的负压抽送从烟囱飞出很多的块状物料, 严重影响装置周围的地面卫生和干燥器运行过程中的平衡压控制。
第三种情况是物床层较低且透明物料占大多数时, 超出前段工艺规定的温度范围很容易结块, 清理出的物料大部分为片状且翻卷弯曲, 这是因为这类物料含水量较大, 过快的干燥造成物料从内部到表现产生很大的湿度梯度, 表面蒸发过快从而造成显著收缩, 同时因为湿度梯度的过大造成物料内部较高的应力, 致使物料皲裂弯曲。
第四种情况与第三种情况相似, 因透明物料较多造粒机造粒时将大颗物料挤出筛板, 从而使得物料形状不规则, 造成的流化效果较差, 但在低转数进料的情况下可以减少结块, 但会严重影响产量。
4 解决方法
经过车间领导、车间技术人员及全体员工的共同努力下, 以上影响干燥器流化效果的因素大部分已经找到了解决方法, 现一一为以上问题方法提出解决方案并付诸实施。
4.1 针对颗粒性质对流化行为的影响解决方法
颗粒性质对流化行为的影响主要来自于颗粒的直径, 因此, 车间制定了以下几个方法来减少干燥器结块情况
4.1.1 在制定定期工作台历中提出定期检查并标定研磨油, 从而在保证研磨油单耗的情况下, 使用较大油量来提高造粒机的造粒效果;
4.1.2 各包线工艺员及单操每班检查造粒机三角区及造粒机底部物料, 观察造粒效果及物料中透明胶粒的含量;
4.1.3 每次停线时检查造粒机刀间隙及筛板情况, 看是否有筛板漏, 刀间隙过大、刀具损坏等情况, 在更换筛板是严格确认规格是否合适;
4.1.4 规定严格的细粉回掺水量调节考核制度, 交接班时接班包装检查上班水量调节情况, 工艺员每天不定期检查细粉回掺调节情况, 对于不认真执行的人员进行严厉考核。
4.1.5 严格要求, 加强巡检, 对干燥器流化情况进行及时观察和处理, 避免大范围结块情况发生。
4.2 针对透明物料影响干燥效果的解决方法
4.2.1 源头上解决产生透明物料, 与科研做好紧密联系, 严格按照生产配方生产工艺执行, 反应情况发生变化及时联系科研并制定应对措施。
4.2.2 对出现透明物料的情况, 如果另外一个预研磨内物料较好, 则两个预研磨一起出料, 降低透明物料的比例, , 如果两个预研磨内物料中透明物料都较多, 则降低转数, 提高span油量, 随时观察干燥器内物料流化情况, 及时清理结块、滞动区域物料。
4.2.3 本人有设想, 若这种透明物料长时间出现并影响装置生产, 是否可采用相对湿度较高的热空气对这种物料进行干燥, 以防止出现质量缺陷, 在采取外界空气时对空气进行相对湿度调节后送入干燥器。
4.3 针对干燥器本身结构对流化行为的影响解决方案
冬季干燥器的预加热段和导热油加热段温度要想保证干燥器高负荷运转难度较高, 主要是由于冬季温度低, 热损失较大, 而冬季是干粉生产的产量高峰期, 这个期间空气相对湿度小, 外界空气引入干燥器后对流传热传质效果好, 但风温的限制是制约干燥器高负荷运转的一大因素, 设想在未来的扩能装置中是否可以采用设有内置加热器的干燥器来改善一下效果。
摘要：干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分 (大多数情况下是水) 而获得一定湿含量固体产品的过程。湿分以松散的化学结合形式或以液态溶液存在于固体中, 或积集在固体的毛细微结构中, 这种液体的蒸汽压低于纯液体的蒸汽压, 称之为结合水, 而游离在表面的湿分则称为非结合水。干燥分两个过程, 并先后控制干燥速率。在干燥器日常使用中, 经常发生结块现象, 严重影响车间的产品产量、物耗、能耗和装置平稳率, 因此对流化现象的观察是干燥器运行过程中的一项重要工作。我们干粉车间采用的都是电机驱动机构和板弹簧提供激振力的震动流化床, 他的优点是固体颗粒混合较好, 气固两相的传热传质表面积大。但也有四大不足。
关键词：干燥原理,颗粒性质,流化行为,传热,振动流化床
参考文献
[1]潘永康, 王喜忠, 刘相东.现代干燥技术 (第二版) [M].北京:化学工业出版社
[2]柴诚敬张国亮.化工流体流动与传热 (第二版) [M].北京:化学工业出版社
流化床干燥器 第2篇
由于流化床干燥器控制特性非常复杂,目前现场控制领域应用的P I D控制器很难实现有效的控制,因此成为控制领域的一个研究热点。本文对流化床干燥器的自动化控制策略采用了M P C监控和稳态优化,增加了流化床干燥器的装置处理能力,提高了产率和经济效益。
2 流化床干燥器工艺过程
图1是用于干燥高密度聚乙烯粉末的单级流化床干燥器工艺流程。原料(含有水分的湿离析物)在向上吹过的热空气流中发生剧烈混合。这样可以通过较高的热量和水分转移系数对原料进行干燥。原料通过位于干燥器顶端的一个回转式给料器来提供。通过调节回转给料器转速,可由FIC＿Feed/PID来控制原料的质量流量。位于右侧的一台压缩机提供新鲜空气,热转换器中的高温蒸汽对空气进行加热。通过调节压缩机转速,可由FIC＿HotAir/PID来控制热空气的质量流量。通过从属控制器HotAirSlave/FIC调节蒸汽管道上的阀门,由HotAirMaster/TIC来控制热空气的温度。干燥产品在底部离开该装置,因此需要在底部对产品的水分含量和温度进行测量。
为了提高流化床干燥器的处理能力和工作效率,其自动化系统由一个M P C质量控制器加以扩展监控,如图1。MPC的控制变量为产品的残余水分和温度;操纵变量为入口空气的质量流速和温度。可测量的扰动变量为要进行干燥的原料中的水分、入口空气中的水分以及通过量(原料流入量)。
2.1 控制变量
CV1=y1:干燥后物料的残余水分(与产品质量相关);
C V 2=y2:出口空气温度或产品温度(相当于干燥器下部的温度;为了保证产品质量,此温度必须在规定范围内)。
2.2 操纵变量
MV1=u1:入口空气的质量流量(与用于控制压缩机转速的从属控制器级联);
MV2=u2:入口空气的温度(与用于控制加热介质流量的从属控制器级联)。
2.3 扰动变量
DV1=Z1:原料的水分含量;
DV2=Z2:入口空气的水分含量;
DV3=Z3:通过量(送入的原料,与用于控制回转给料器速度的从属控制器级联)。
3 模型预测控制
模型预测控制简称MPC[1](Model Predictive Control),在过程工业中应用广泛。通常的PID控制,是根据过程当前和过去的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入。而MPC不但利用当前的和过去的偏差值,还利用预测模型来预估过程未来的偏差值,以滚动优化确定当前的最优输入策略。M P C的三要素为内部预测模型、滚动优化、反馈控制。
3.1 预测模型
预测控制是一种基于模型的控制算法,这一模型称为预测模型。它的功能是根据对象的历史信息(K时刻以前的输入,见图2中纵坐标轴左方的信息)和现在及未来时刻的输入(K时刻及其以后的输入,见图2中纵坐标轴右下方带的虚线),预测对象未来时刻的输出(K时刻以后的输出,见图2中右上方带的点画线)。
模型的型式可以不同,传统的传递函数、状态方程等参数化模型和稳定对象的阶跃响应、脉冲响应等这类非参数模型都可以作为预测模型使用。预测模型具有展示对象未来动态行为的功能。
3.2 滚动优化
预测控制是一种优化控制,它通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用。这一性能指标涉及到对象未来的行为,通常使对象输出跟踪某一期望输出(图2中带圆圈的曲线),使其与期望轨迹的方差最小。预测控制优化不是一次离线进行,而是在各采样点反复在线进行,这就是滚动优化的含义,也是MPC优化区别于传统最优控制的根本点。
3.3 反馈校正
利用对象当前时刻的输出值反馈回来修正模型的预测值,再进行下一步优化。因此,预测控制的优化不仅给予模型,而且利用了反馈信息,从而构成了闭环优化。
M P C软件基于W i n d o w s的图形用户界面,采用多层优化,直接考虑模型不确定性采用鲁棒控制设计,改进辨识技术等。采用多个目标函数,先进行被控变量CVi的设定值优化,然后在保证其优化结果的基础上进行操纵变量M V i的优化。M P C软件包收集生产过程的动态测量数据并对数据进行分析处理,利用辨识算法获得用于多变量预估控制的动态过程模型。实时数据平台对连续生产过程的数据收集、分析处理和其它信息管理,为流化床干燥器生产过程的实时控制和工艺计算提供实时数据支持。
4 稳态优化
稳态优化的目的是对装置优化的稳态最优工作点进行再计算,通过这个再计算可以在M P C中实时的考虑各种扰动变量对稳态最优工作点的影响和操作人员对控制系统的干预,找到可以稳态实现的最优工作点。利用稳态优化,可以实现M P C和流化床干燥器装置优化层的正常衔接。
如果有一个控制变量存在自由度,就可以使用稳态工作点优化的经济优化。对于这样的控制变量,未规定精确的设定点,但是CVi过程值必须保持在误差范围以内。从M P C的角度来看,过程值位于此范围内的何处无关紧要,只要过程值位于该范围内,M P C就不会操纵执行器。但从经济的角度来看,此误差范围内不同值的优劣各不相同,借助于稳态优化功能,可找到此误差范围内经济上最优的工作点。
可以通过定义一个LP优化目标函数J[2]完成。此目标函数以线性方式依赖于M P C的操纵变量和控制变量,是一个判定变量的线性函数,通过此函数可以求得单位时间内装置运行的经济产量、特殊成本或者能耗。
式中:
GradXVi—MPC软件包中ModelPredictCont函数块中指定各个梯度向量的系数,作为函数的输入变量,各个系数随时间变化(它们依赖于当前市场价格)。若各个操纵变量或控制变量对目标函数没有影响,则相应的系数为0;
MVi—流化床干燥器的操纵变量(i=1,2,3…);
CVi—流化床干燥器的控制变量(i=1,2,3…);
J0—所有不依赖于操纵变量和控制变量对目标函数的贡献因素组合。这些贡献因素对判定变量的最优值没有影响,但会用于计算目标函数J的当前值。
稳态优化的目标是在考虑产品质量的限制情况下(水分含量、温度),自动找到干燥器设备每次生产的经济最优工作点。目标函数J是单位时间内单元操作的经济利润(元/小时),因此,需要考虑产品销售收入、能耗和原材料成本。用于加热控制器蒸汽的热能消耗和空气压缩机、回转给料器的电能消耗构成能耗成本。产品按重量销售,因此,产品的生产量、水分含量都会对销售收入产生影响。定义成本与利润间的定量关系以及MPC的操纵变量与控制变量间的定量关系均十分重要,如表1所示。
原材料成本通过进料量与价格的乘积进行计算:
成本要从经济利润中减去。
电气传动装置的能耗成本可通过旋转速度、额定功率和电能费率计算:
热能成本取决于加热蒸汽的质量流量和蒸汽成本εSteam。
具有一定质量流量的饱和蒸汽(蒸发热焓)发生完全冷凝的热量需求:
蒸汽流量取决于M P C的操纵变量所需的热空气质量流量FHotAir=1u和温度THotAir=u 2。则加热蒸汽的质量流量
为了取得LP优化目标函数J的线性公式化,需要围绕工作点将此项线性化。收集所有项得到总的目标函数公式(单位时间的利润):
目标函数J梯度向量的系数gy 1=G r a d C V 1、gu1=GradMV1、gu2=GradMV2以及目标函数中不依赖于M P C操纵变量和控制变量的J0是时间恒定的,但依赖于过程变量(如可测量的扰动变量Z1、Z2、Z3等)。因此,可在CFC中使用乘法器和加法器等算术函数块对它们进行计算,并链接至M P C函数块的相应输入变量进行优化计算,这些计算可在任何标准循环组织块O B中进行。在M P C函数块内,只有需要时在O B中执行L P优化,即仅在任何系数或约束的值发生改变的情况下执行优化,这样优化算法不会给C P U的循环运算带来额外负荷。
5 性能基准测试
为了进行比较,平行布置了两台完全相同的单级流化床干燥器设备,这两台设备仅在监控控制方面有所不同。第一台设备配有M P C质量控制中的具有优异模型质量鲁棒性控制器和稳态优化。通过设定点预过滤器,可取得几乎不带过冲的跟踪行为。第二台设备采用两个分别用于产品水分含量和产品温度的常规P I D控制器来运行,两个控制器均使用PCS 7 PID的PI控制器。两台设备都受由原料水分含量波动引起的相同扰动影响。原料是由一个批次过程生产的。每个批次在水分含量上具有较小差别,这样就可以在每个批次开始时观察到原料水分含量上的较小步变化。然后,对流化床干燥器的各项性能进行基准测试,测试结果如下。
5.1 设定点跟踪性能
产品水分含量的设定步点均可方便地由M P C质量控制器和PID控制器来控制。但是MPC的响应要快一些,如图3。
产品温度的设定步点,M P C显示出较大优点,如图4。此控制器能够在转变过程中将产品水分含量几乎保持恒定,而PID控制时的产品水分含量会显著下降。
5.2 扰动补偿性能
原料水分含量的修改频率为每100S发生1%改变,这会造成P I D控制器控制的设备产品水分含量和产品温度发生显著波动,而M P C因采用基于模型的前馈扰动量补偿而能够应对这些扰动,如图5。在PID控制中,产品水分含量的波动幅度为1%±0.14%,是采用MPC控制时的18倍。采用MPC时的标准偏差是采用PID控制时的1/5。
5.3 工作点优化
很小的工作点移动会产生显著的经济利润,如图6。在激活优化之后,MPC的活动设定点会朝着优化约束值方向移动。正如预期的那样,优化器会允许产品的水分含量达到所允许的高值,在本流化床干燥器中,允许水分含量从1%提高到1.2%。这样,不仅可将干燥的能量需求降到最低,而且还可以基于销售的产品重量最大程度地提高产品销售收入。优化器还会将热空气温度提高至上限处,即将温度从92℃提高到95℃,用于加热空气的蒸汽相对来说是一种具有成本效益的能量载体,通过最高空气温度而不是通过较低温度和较高空气质量流量来取得所需的干燥效果更为经济。激活优化之后,设备运行的经济利润从每小时30299.95元上升至每小时31070.92元,增加了2.6%。使用常规PID控制时,若不冒着因波动较大而降低产品质量(尤其是水分含量)的风险,就根本无法使用这样的工作设定点组合,但降低产品质量又是无法接受的。
5.4 工作点转换
与使用一组两个PID控制器相比,MPC可更好的管理工作点从一个生产量值到另一个生产量值的转换。如果不使用M P C而使用P I D控制器,则生产量从每天30吨到每天31吨的步变化会造成生产出不合规格的物料,温度会突然下降,产品离开干燥器时的水分含量过高,如图7。
6 结束语
控制系统优化控制是目前的热点问题,如何提高流化床干燥器的生产过程自动化水平对于提高企业经济效益的作用不言而喻。采用M P C对流化床干燥器监控控制并进行稳态优化,有效解决了常规PID控制器监控所带来的响应慢、水分含量低和波动、工作点转换与组合带来的负面影响,具有较高的推广性。
参考文献
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流化床干燥设备进展的研究 第3篇
1 流化床干燥设备的分类
流化床干燥设备在不到100年的时间里, 经过科研人员的不断改进和创新, 得到了长足的发展和广泛的应用。其种类很多, 根据待干燥物料性质的不同, 所采用的流化床也不同, 按其结构大致可分为:单层和多层圆筒型流化型、卧式多室流化型、搅拌流化型、振动流化型、离心式流化型、脉冲流化型等类型。
1.1 单层和多层圆筒型流化床
最早应用的流化床为单层圆筒型, 其材料为普通碳钢内涂环氧酚醛防腐层, 气体分布板是多孔筛板, 板上小孔半径1.5 mm, 正六角形排列。
整个干燥过程为:湿物料由皮带输送机运送到抛料加料机上, 然后均匀地抛入流化床内, 与热空气充分接触而被干燥, 干燥后的物料由溢流口连续溢出。空气进入鼓风机、加热器后进入筛板底部, 向上穿过筛板, 使床层内湿物料流化起来形成流化层。尾气进入旋风分离器组, 将所夹带的细粉除下, 然后由排气机排到大气中。此干燥器操作简单、劳动强度低、劳动条件好、运转周期长。
但是由于单层圆筒流化床直径较小, 物料停留时间较长, 干燥后所得产品湿度不均匀。因此发展了多层流化床, 该流化床不仅可以提高效率, 更重要的是能够得到较为均匀的停留分布时间。为了对物料进行内扩散控制, 多层流化床还先后经历了溢流管式、下流管式和穿流板式3个阶段。多层流化床的物料干燥程度均匀, 干燥质量易于控制。热效率较高, 适用于降速干燥阶段较长的物料以及湿含量较高 (水分含量>14%) 的物料的干燥。
1.2 卧式多室流化床
由于多层流化床还是存在操作困难、床层阻力大和结构复杂等缺点, 为克服这些缺点, 20世纪60年代末70年代初发展了一种卧式多室流化床。该设备结构简单、操作方便, 适用于各种难干燥的粉粒状物和热敏性物料的干燥。可以说, 卧式多室流化床干燥器相当于多个方形界面流化床串联系统。
其主要特点:
(1) 在相邻隔室间安装挡板, 从而可制得均匀干燥的产品, 改善了物料停留时间的分布;
(2) 物料的冷却和干燥可结合在同一设备中进行, 简化了流程和设备;
(3) 由于分隔成多室, 可以调节各室的空气量, 增加的挡板可避免物料走短路排出。
该设备在制药工业中推广较快, 目前国内有几十个工厂用此设备来干燥各种片剂颗粒药物、粉粒状物料以及片状物料。如果在操作上对各室的风量、气温加以调节, 或将最末几室的热空气二次利用, 或在床内添加内加热器等, 还可提高热效率。
1.3 搅拌流化床
为了使某些湿颗粒物料或已凝聚成团的物料亦能采用流化干燥技术, 研究人员在加料口附近装备床内搅拌叶片, 使呈团状或块状的物料及时打碎, 以利于形成流化, 这种装备有搅拌器的流化床称为搅拌流化床。
其优点在于:
(1) 适合于湿含量较大、在热气流中不易分散的物料或者可能结块的物料的干燥;
(2) 可以避免沟流、腾涌和死床现象, 获得均匀的流化状态, 提高热质传递强度。
近年来搅拌流化床在制药工业上得到了相当广泛的应用, 其常作为制药过程的后续工艺的干燥装置, 以简化设备及工艺, 降低成本。
1.4 振动流化床
随着多级干燥的发展, 振动流化床 (vibrate fluidized bed, VFB) 得到应用, 其基本结构与普通流化床相似, 是一种将机械振动加于流化床中的改良产品。物料依靠机械振动和穿孔气流双重作用流化, 并在振动作用下向前作活塞形式的移动, 利用对流、传导、辐射向料层供给热量, 即可达到干燥的目的。
振动流化床由于物料的输送是由振动来完成的, 供给的热风只是用来传热和传质, 因此可以明显地降低能量消耗。另外, 由于床层的强烈振动, 传热和传质的阻力减小, 提高了振动流化床的干燥速率, 同时使不易流化或流化时易产生大量夹带的块团性或高分散物料也能顺利干燥, 克服了普通流化床易产生返混、沟流、粘壁等现象。
1.5 离心式流化床
离心式流化床是在离心力场中进行流化干燥的一种新型干燥设备, 其原理是在机械转动造成的离心力场作用下使粒状物料分布在丝网覆盖的圆筒型多孔壁上, 热气流穿过多孔壁使之流化干燥。由于离心力场的存在离心加速度可以是重力加速度的几倍到几十倍, 因此与普通重力流化床相比较, 强化了湿分在物料内部的迁移过程, 干燥时间短, 传热传质速率高, 能够有效地抑制气泡的生成及物料的夹带, 对于在重力流化床中难以干燥的低密度、热敏性、易粘结的固体物料都可以有效地干燥。
1.6 脉冲流化床
针对一些不易流动的物料及干燥温度不允许超过50~80℃的结晶药物, 发展了脉冲式流化床。脉冲流化床改变了传统流化床的恒定送风为周期性送风, 通过调节气流的脉冲频率或脉冲气流导通率, 使通过孔板的气体流量或流化区发生周期性变化, 对物料进行干燥。
其主要结构特点是在干燥湿底部的周围装有几根热空气进口管, 在每根热空气管上装有脉冲阀, 它们按一定的频率和次序开启, 开启时间与床层厚度和物料性能有关, 当气体突然引进时, 在短时间内形成一个脉冲, 使粒子剧烈流化, 促使物料之间进行强烈的传热与传质, 当阀门关闭时, 床层的流化状态逐渐消失, 则物料处于静止状态, 此时仍通入部分气体通过床层, 以便下一个脉冲能有效地在床中传递。
其优点在于:传热系数高, 干燥时间短, 空气耗量减少, 电能耗量低。脉冲流化床能有效克服沟流、死区和局部过热等传统流化床常见的弊端, 因而可用于处理黏性强、易结团和热敏性物料, 如四环素类的抗生素。
1.7 惰性粒子流化床
惰性粒子流化床干燥器具有将物料蒸发、结晶、干燥和粉碎在同一设备中完成的特点。此干燥器中预先装有直径为1~2 mm的玻璃珠, 其在热空气的作用下呈流化状态, 物料进入流化床内, 在玻璃珠相互球磨的作用下, 迅速被粉碎、干燥。目前, 此类流化床干燥器在制药工业中的应用较少。
2 流化床干燥设备存在的问题与解决方法
经过工程技术人员的共同努力, 近年来我国的流化床干燥设备有了长足的进步。目前国内常用的流化床干燥器有:内藏热管式流化床干燥机、ZLG振动流化床干燥机、沸腾流化床干燥机等。流化床干燥机的结构、性能都有明显改善, 质量也在不断提高, 但还存在着一些问题。
2.1 热能利用的不充分
流化床干燥设备存在热能利用不充分的问题, 导致干燥效率不理想, 能耗增加。如果在流化干燥过程中物料和热空气接触不紧密, 就存在热交换不完全的问题, 不但降低干燥效率, 而且增加能耗。
德国GEA集团的下属公司[1]专门设计了使进气量更加均匀与平稳的筛板, 该筛板可以使流化干燥过程中热交换更加充分和合理, 并且降低了加热空气产生的能耗, 可大幅提升经济效益。瑞士的苏尔寿公司和日本奈良机械[2]制造的内藏热管式流化床干燥机, 改变了以往流化床热量全部由热风带入的方法, 它将管式热交换器沉浸在流态化干燥物料中, 物料脱水所需热量分别由埋管热交换器和流化用热空气提供, 以较小的风量满足物料流化干燥的要求, 由于部分热量来自管内热介质的传导传热, 因此大大提高了热效率, 而热介质一般为蒸汽、导热油等。
此外我们还可以采用新的加热技术或新能源来提高设备的热效率。如在床底层埋植换热管, 利用液体潜热进行喷雾热交换, 采用微波加热等形式进一步提高流化床干燥设备的热效率, 从而降低能源损耗, 达到经济环保的目的。
2.2 被干燥物料湿度的在线监测
流化床干燥过程中还存在无法在线监测被干燥物料湿度的问题, 如果能够在干燥过程中在线检测物料的湿度, 便可根据实际情况调整参数, 提高干燥的效率。
K.Sepp a:l a:[3]等人设计了一种在线检测流化床干燥时物料湿度的装置, 该装置采用双比色皿系统, 通过测量物料的电导率来检测物料的湿度, 使整个干燥过程处于可控制状态。
此外还有利用重量改变、红外扫描等技术对被干燥的物料进行在线湿度检测的报道[4], 这些方式使流化床的整个干燥过程可以加以适时调控。
2.3 干燥结果的差异性
目前流化床干燥中普遍存在干燥结果差异较大的问题:
(1) 同一种物料、不同投料量的干燥结果存在差异;
(2) 不同种类物料、相同投料量的干燥结果存在较大差异。
因此, 针对这两个问题, 一般都是对流化床的结构进行改进, 使其设计更为合理, 从而增加干燥物料的种类, 而且可以提高干燥效率, 降低干燥结果的差异性。
德国GEA集团[5]针对同一种物料、不同投料量干燥结果不同的问题, 设计有适用于较小量干燥物料的两层圆筒型流化床干燥器、适用于中等规模干燥量的四层串联流化床干燥器以及适用于大规模干燥量的矩形三层流化床干燥器。针对不同种类物料、相同投料量干燥结果不同的问题, 设计有专门适用于干燥易团聚的固体物料的流化干燥器和适用于液体物料干燥的流化干燥器。
德国的Glatt公司[6]针对同种物料、不同投料量干燥结果不同的问题, 设计有间歇型流化床和连续型流化床, 间歇型生产量为2 kg/h~1.5 t/h, 连续型生产量为20 kg/h~5 t/h, 此设计可以有效地解决同种物料、不同投料量干燥结果不同的问题。
2.4 特殊物料的干燥稳定性
热敏感物料、氧敏感的物料以及含溶剂易燃物料的干燥条件要求较高, 干燥条件不合理会导致被干燥物料的降解、变质。美国的Bepex公司[7]设计的固定式流化床干燥器是一种较新的适用于热敏感物料、氧敏感的物料和含溶剂易燃物料干燥的流化干燥设备。此流化床干燥器中具有多个区域, 可在同一个装置中进行加热和冷却, 每个区域都可以对温度、露点和流化速度进行独立控制, 通过调节每个区域的围堰高度, 物料在干燥器中的停留时间可相差最多4倍。由于采用较低的蒸汽压, 热敏感物料可在低于沸点的温度下进行干燥, 并且加入间接传热表面, 提高干燥能力。
此外, 该设备使用了能够将惰性气体进行回收的封闭循环流化床系统, 可以处理对氧敏感的物料和含溶剂易燃物料。
2.5 冷却系统
部分流化床干燥设备缺少冷却系统, 因此冷却过程一般较长。目前, 国内外的研究人员和生产商在设计和制造流化床时, 都考虑设计并采用更为合理和高效的冷却装置, 使干燥后的物料能迅速冷却降温, 达到简化生产过程, 或直接包装的目的。
3 展望
目前, 国外公司生产的流化床干燥设备由于采用了先进的技术而使其生产质量得到了较好的保证, 我国由于起步晚, 流化床干燥设备与国际先进水平相比有一定的差距, 但随着我国制药工业的发展, 在学习国外先进技术和实践经验的基础上, 选择特定的突破点, 加大自主创新力度, 一定可以缩小与国际先进水平的差距。
摘要：流化床干燥器因具有较高的热质传递速率、结构紧凑、便于操作等优点而被广泛用于化工、食品、陶瓷、制药等行业, 就流化床干燥设备的种类及普遍存在的一些问题和解决方法做一简要综述。
关键词：干燥,卧式多室流化床,搅拌流化床,振动流化床,离心式流化床,脉冲流化床
参考文献
[1]Fluid Bed Drying[w], http://www.niro.com/niro/CMSDoc.sf/WebDoc/ndkk5hvebsFluid-BedDryers
[2]Fluid Bed Dryer[w], http://www.barr-rosin.com/products/fluid-bed-dryer.asp
[3]K.Seppala, T.Narvanen, O.Antikainen, HRaikk-onen, J.Heinamaki, J.Yliruus.A new method for on-line measurement of moisture content during fluid-bed granulation.european jo-urnal of pharmaceutical sciences[J], doi:10.1016/j.ejps.2008.02.085
[4]Caroline Buschmüller, Wolfgang Wiedey, Claas Doscher et al.In-line monitoring of gra-nule moisture in fluidized-bed dryers using microwave resonance technology.Eur-opean Journal of Pharmaceutics and Biophar-maceutics[J], 2008, (69) :380～387
[5]CONTACT FLUIDIZERTM CFD[w], http://www.niro.com/niro/CMSDoc.nsf/WebDoc/ndkk5hve-cqCONTACTFLUIDIZERF
[6]Fluid bed drying[w], http://www.glatt.com/e/01_technologien/01_04_10.htm
流化床干燥机在制药工业的应用要点 第4篇
1 流化床干燥技术
1.1 流化床概念
流化干燥又称沸腾干燥, 这是流态化技术在干燥过程中的应用。干燥时, 先将颗粒状的湿物料加入到多孔分布板上, 热空气由多孔分布板的下部送入, 其气流速度控制在大于固体颗粒的沉降速度而小于气流带出的速度之间。当气速较低时, 颗粒层静止不动, 床层高度不变, 此为固体床;当气速增大时, 颗粒开始松动, 床层略有增高;气速继续增大, 颗粒将向上浮动, 并部分悬浮于气流中, 由此形成的气固混合物在床内呈流化状态, 故称流化床。
1.2 流化床干燥机干燥原理
流化床干燥机是近年来发展起来的一种新型干燥设备, 目前在化工、轻工、医药、食品等工业中已被广泛应用。
干燥时, 由于气固两相逆流接触、剧烈搅动, 固体颗粒悬浮于干燥介质之中, 具有很大的接触表面积。流化床干燥技术涉及传热和传质两个相互过程。在对流干燥过程中, 热空气通过与湿物料接触将热能传至物料表面, 再由表面传至物料内部, 这是一个传热过程;而湿物料受热后, 表面水分首先气化, 而内部水分以液态或气态扩散到物料表面, 并不断气化到空气中, 使物料的水分逐渐降低, 完成干燥, 这是一个传质过程。
1.3 流化床干燥机的分类
随着干燥应用技术的不断发展, 流化床干燥设备的形式及应用也越来越多, 设备的分类方法也有所不同。
按被干燥物料性质可分为3类:粒状物料、膏状物料、悬浮液和溶液等具有流动性的物料。按操作条件可分为2类:连续性、间歇性。按结构状态可分为5类:一般流化型、搅拌流化型、振动流化型、脉冲流化型、碰撞流化型。
1.4 流化床干燥的特点
流化床干燥之所以得到广泛的应用, 主要有以下特点:
(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激烈搅动, 所以传热效果好, 热容系数大;
(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过热, 所以特别适用于某些热敏物料的干燥;
(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, 产品含水率稳定;
(5) 流化床干燥器不宜于含水量高和易黏结成团的物料, 要求粒度适合;
(6) 被干燥物料在粒度上有一定限制, 一般物料的粒径在30μm～6 mm较为适合。粒度太小易被气流夹带, 粒度太大不宜流化;
(7) 若几种物料混合在一起用流化床进行干燥, 则要求几种物料的密度应接近;
(8) 流化床温度分布一般有如下状态:经加热器加热后的空气温度可达110℃左右, 物料加入后沸腾室内温度在40～45℃范围内, 容器顶部出口温度约为30～35℃之间;
(9) 由于干燥装置本身不包括机械运动部件, 因此设备的投资费用低, 维修工作量也小。
1.5 流化床干燥机的总体水平
目前流化床干燥机的总体水平概括起来为4个方面:一是控制系统的配备, 其自动化技术得到广泛应用, 使劳动强度降低、产品质量稳定;二是计算机技术的应用, 多数系统中采用计算机技术进行系统参数的采集、处理和控制, 使系统操作条件达到最优;三是人性化设计, 在设备设计的同时考虑操作者的习惯, 方便维修;四是安全化设计, 其系统中有安全报警、险情排除功能, 特别是易燃易爆物料的干燥更要考虑。
2 流化床干燥机在制药工业中的应用要点
以GFG120高效沸腾干燥机为例, 这是一个常用的流化床干燥机在制药工业中的应用范例。
2.1 工作过程
流化床干燥机使用热空气自下而上通过松散的粒状或粉状物料层形成“沸腾床”而进行干燥。工作时, 将湿物料送入干燥室, 干燥室底部有多孔分布 (筛板) 板, 空气经过过滤加热后吹入流化床底部的分布板, 使物料呈悬浮状态, 上下翻动, 形成流化状态而被干燥, 达到气固热质交换。含有细粉的热空气通过滤袋的网孔排出, 同时将细粉捕集下来。%
流化床干燥机的具体组成如图1所示。
2.2 流化干燥质量的要点
在气固两相的流化床干燥中, 流化干燥质量可从以下几方面考虑:
(1) 床层压力波动一般在±3%以内, 若压力波动超过±10%则是不正常流化;
(2) 床层温度分布均匀, 温差一般在2℃以内;
(3) 床层内不出现沟流或腾涌现象;
(4) 流化速度适宜, 防止细粉太多;
(5) 湿颗粒不易黏结成团, 否则会结饼。
2.3 设备符合GMP的要点
流化床干燥机在制药企业得到广泛应用, 但设备必须符合GMP要求。
2.3.1 材质要求
与物料接触部分应选用316L或304奥氏体不锈钢材质, 并作抛光处理。
2.3.2 净化要求
(1) 热空气进口装有中效过滤袋, 适合30万级的净化要求;
(2) 上下室内装有捕尘袋;
(3) 上下气室应密封, 以防止污染;
(4) 容器内为封闭负压操作, 无粉尘飞扬;
(5) 通过隔墙把设备隔成两部分, 主机及机身部分在洁净区内, 风机部分在非洁净区, 这样既可满足工作时洁净要求, 又可减轻对洁净区噪音干扰。
2.3.3 易清洁要求
流化床为圆形结构, 内表面光洁, 无死角, 易清洁。
2.3.4 安全要求
设备从安全角度考虑应具有防爆性能。 (1) 在上下气室设置一个泄爆口, 不会造成大危险; (2) 设备应可靠接地, 以防止静电聚集。
2.3.5 自动化控制要求
主要参数进行自动化控制, 最大限度消除人为因素, 降低人的劳动强度。如控制部分采用PLC中文界面, 控制柜有进风物料、出风温度显示, 蒸汽压力、空气压力显示。
2.4 其他所应考虑的要点
(1) 风机采用变频器控制, 可任意调节风量大小, 控制流化速度, 同时又节约电能;
(2) 采用了先进的气流分布板技术, 改善了干燥室物料的流化状态, 缩短了干燥时间, 有利于流化空气的均匀分布, 保证气室内温度一致。同时, 流化床气体分布板上铺一层300目以上的不锈钢网, 防止药物颗粒从筛孔板漏出;
(3) 温度指示仪和温度控制仪的应用, 使操作过程按要求的温度进行;
(4) 物料干燥时, 搅拌桨不停地进行旋转, 避免死角及“沟流”现象。
3 结语
流化床干燥技术之所以能在制药企业得到推广应用, 其原因在于:
(1) 本身具有结构设计、功能上适合物料干燥、干燥速度快、易操作等技术特点;
(2) 与其他设备相比较, 占地面积小, 生产能力大, 热效率高, 而且干燥后的产品湿度均匀。同时, 可通过调节物料在流化床停留时间长短使产品达到预期含水率;
(3) 流化床干燥机经过不断改造与完善, 具有符合GMP要求的特点。
流化床干燥机在制药企业应用性上突出了机电一体化、符合GMP、高性能的适用性及优越性。而且, 流化床干燥技术的应用不止于此, 如流化床包衣机、喷雾流化床干燥机等在制药工业中的应用也非常广泛, 其设备的自动化程度、符合GMP、高性能是今后流化床干燥设备的发展方向。
参考文献
[1]崔春芳, 童忠良.干燥新技术及应用.北京:化学工业出版社, 2008.7
流化床干燥器 第5篇
湿法制粒的生产工艺采用高速旋转湿法制粒机与流化床干燥设备组合成制粒联动线, 目前在国内许多制药企业已经得到广泛运用。根据国内设备选用的原则:节能与环保。我们在设备选型时必须对设备提出一系列要求, 包括与供应商进行技术可行性探讨。在此, 我们以美国FDA要求的流化床URS条款标准为参照来探讨几个话题。
1 流化床干燥设备的节能
流化床干燥的基本原理就是通过加热的空气将湿颗粒吹至沸腾呈对流状态, 热空气将蒸发的水分或有机溶媒带走, 实现对湿颗粒的干燥, 这就涉及到空气的处理问题。
目前国内许多制造商对空气处理单元的配置为:初效过滤器—电加热 (或蒸汽加热) —风机—中效过滤器—流化床干燥机, 就这样简单。显然, 这与用户的需求有极大的关系, 用户提出的要求低, 则制造商的配置也低, 这里我们仅以GEA的制粒联动线中的流化床为例, 来谈谈配置与节能的关系。空气处理单元的配置和参数要求:
(1) 进风温湿度可调节至工艺要求的参数范围, t为80℃、RH为20%;
(2) 冷冻水降温除湿, 盘管采用铜管、铝肋片式, 冷冻水采用工艺冷冻水系统的冷冻水, 温度7～12℃;
(3) 加热器热源为工业蒸汽, 应注明压力、温度耗量要求;
(4) 过滤器采用 (G4+F8+H13) 三级过滤, H13需进行PAO检漏测试、验证, 说明检测、更换的时间;
(5) 箱体要求:中高效后内壁为不锈钢板, 中高效前为镀锌钢板, 壁板具有保温防冷却功能;
(6) 冷水、蒸汽的进出采用PLC电动阀或气动阀门根据设定的温湿度自动控制;
(7) G4、F8、H13有压差显示装置, 并在PLC具有压差报警功能 (压差不在PLC上显示) ;
(8) 过滤器更换拆卸方便;
(9) 配置表冷器排水存水弯, 积水盘材质为304不锈钢, 无漏水, 排水顺畅, 集水盘无积水;
(10) 出风口配置电动调节阀门, 开度可通过PLC控制。
这是我们对空气处理单元 (AHU) 配置提出的要求, 相信国内许多的制造商完全可以满足这些要求, 如果国产设备按照此要求进行制造, 必定降低药品生产的质量风险, 再辅之详细的验证文件, 就会进一步提高设备的技术含量。
在满足GMP要求的同时, 我们还应充分考虑到节能, 这里的耗能涉及到化霜预热功能段、冷水除湿、加热段、流化床筒体内负压保持。根据URS, 如果不需要化霜预热段, 可以取消该功能段的设置, 否则既增加了投资, 又增加了进风阻力, 增加了能耗。冷水除湿段与蒸汽加热器采用PLC电磁阀自动控制, 设定出风温湿度, 常规的流化床干燥参数d为11 g/m3、t为80℃, 流化床的进风量与排风量的关系可以通过PLC对筒内负压和自动调节进风阀和排风阀加以设定。根据FDA的要求, 空调处理单元的三级过滤器非常关键, 国产设备之所以存在较大的风险主要原因就在于过滤器问题, 过滤器的选型很重要, 必须明确说明过滤器的规格型号, G4、F8、H13必须符合国际通用标准, 不能图价格便宜随便采用无纺棉制作, 否则会存在较大的质量风险, 当然标准的过滤器会增加空气流动的阻力, 但是我们的前提是首先要满足质量要求。
流化床运行时, 内部的颗粒运动的轨迹与空气热交换也有着密切的联系, 目前通常是底部的空气吹上来, 使颗粒呈对流状, 颗粒在空中停留的时间就是颗粒内水分蒸发的时间, GEA制造的流化床干燥设备底部采用鱼鳞状出风口, 使得颗粒在筒内呈螺旋状升高, 有效地增加了流线的长度和与空气热交换的时间, 充分利用了能源。
2 流化床干燥设备的发展趋势
流化床干燥设备从具体结构组成来看, 可以分为筒体部分、AHU部分、电气控制部分。目前, 国内大多数制造商基本上都可以进行全部的生产组装, 从技术角度上来讲是广而不精, 不锈钢加工也能生产, 空气处理单元也能组装, 电气控制两个电工就能解决问题, 工作效率高, 装配速度快, 成本低, 大多仿制别人的设备, 形似而神不似, 这是目前国内许多制造商的现状, 缺少新产品研发投入。
许多国外先进的设备供应商的做法值得我们学习, 他们将设备分成几个部分, 进行分工合作, 流化床干燥设备不锈钢制作就单纯加工筒体兼组装, AHU由专业的空调厂商供应, 电气自控由专业的人员来做, 相互之间做好技术协调工作, 做到专而精, 设备的技术档次就会提高, 这需要我们有良好的协作精神和认真的工作态度, 在提高产品质量的同时, 设备附加值也会有明显的提高。
作为制药企业用户, 我们会根据GMP要求对流化床每个具体的部件提出详尽的要求, 确保将产品质量风险降到最低, GMP追求工艺生产过程的重复性和可追溯性, 这就更加要求我们对生产设备的每一步调节、参数设定的具体化与明确化, 要求流化床干燥设备各部分的制造规范化, 严格执行设计方案、DQ、DS。供应商制造一套先进的流化床干燥设备, 与客户进行长期的技术探讨非常重要, 客户提出的需求越高, 生产出的设备就越先进。目前, 国内许多的制药企业已经逐步向FDA要求靠拢, 购置设备时要求设备供应商提供一系列的文件资料, 而这恰恰是国内供应商的软肋。以流化床干燥设备为例, 需要提供:
(1) 机械设计部分:工艺流程设计, 安装设计, 记号清单, 组成清单, 备品备件清单。
(2) 电气设计:软件, 配电图表, SDS, 功能图表, 功能说明, 配电柜清单。
(3) 设备文件:操作手册, 维护和检查列表, 检查记录表, 触摸屏操作说明, 客户培训。
(4) 技术资料文件与备件资料。
(5) 质量控制文件:校准证书, 留样, 钝化清洗, 焊接气体证书。
(6) 制造:焊工的培训、指导和指令, 拍片、钝化清洗的培训。
(7) 质量管理:焊接质量记录、留样, 焊缝编号图, 焊接轨道输出, CD光盘。
(8) 验证文件:质量和项目计划, FAT方案, 单元测试检查, SAT文件。
针对以上的软件要求, 各个制造商的理解可能不一致, 但站在用户的角度来说, 能够提供这些全面的资料, 正是我们制药企业GMP所需要的。
3 流化床干燥设备工艺的重复性和可追溯性
在实际生产中, 操作人员对每次生产的设备工艺参数都要重新进行设定和修改, 不能保证同样的产品采用同样的设备工艺参数进行生产, 也就谈不上追溯性。根据GMP要求, 设备要求能够储存一定量的生产工艺参数, 确保生产的重复性和可追溯性。各个用户根据品种的多少来设定, 流化床干燥设备一般要求能够存储50种生产工艺, 而目前国产设备大多不能做到这一点。举个简单的例子, 喷雾系统更换一个同样规格的喷头, 在同样的压力下, 用同样的黏合剂, 喷出的效果是不一样的, 制粒的时间、干燥的时间都要重新设定, 这是因为喷头在精加工时, 不同的人与机床所生产出的喷头是不一样, 这就要求我们严格执行喷头的质量标准 (包括精度) , 作为保证工艺重现性的必要条件之一, 其加工精度应控制在偏差值为几微米的范围内。这就要求我们具有设备制造的严谨、严格性, 按照加工图纸进行严格的部件检查验收, 并有足够充分的数据和文件资料支持。
流化床干燥设备生产工艺的重复性和可追溯性对PLC控制系统、机械执行机构提出了一定的需求。举例如下:
(1) 设计安装在带锁的不锈钢箱子里面。
(2) 用西门子品牌PLC (S7—300) 来控制制粒、干燥过程。
(3) 具有自动和手动进行制粒、干燥、出料等功能。
(4) 能够控制和操作以下内容:
1) 进风、排风量, 控制筒内压力;
2) 控制进风温度、湿度;
3) 控制进水、蒸汽阀门;
4) 控制出料;
5) 制粒时控制蠕动泵的运行;
6) 控制进料量;
7) 控制在线清洗。
(5) 在进风、流化腔、排风配置温度探头, 并在PLC显示。
(6) 具有足够的内存, 能够储存50种生产工艺。
(7) 提供警报系统。
(8) 具备以下几个联动控制:
1) 过滤袋破损停机联动;
2) 制粒浆液低温蠕动泵停机联动;
3) 干燥时进料阀与风机联动;
4) 快关阀与风机联动;
5) 压缩空气低压报警联动;
6) 在线清洗时低水压报警联动;
7) AHU表冷器、加热器出风温度、湿度报警。
(9) PLC可以不断更新。
(10) PLC具有现场打印参数、数据保存、可进行数据、与数据PC连接功能。
(11) PLC预留20%的内存, 便于程序升级。
这只是列举的部分要求, 不同的用户具有不同的配置需求, 但是要实现工艺参数的重复性, 对PLC的基本要求是一致的。
4 流化床干燥设备的在线清洗 (WIP)
在流化床干燥设备的实际使用中, 很多人会将流化床干燥设备的CIP与WIP的概念混淆。WIP是将流化床干燥设备可拆卸部分拆卸后对不可拆卸部分的自动清洗, 而CIP是所有部件不用拆卸, 完全意义上的全自动在位清洗, 这两者的参数均需进行清洁验证。下面我们就CIP和WIP的配置进行分析。
流化床干燥设备的CIP需要单独配置一套工艺热水系统, 专门为高速旋转湿法制粒机和流化床干燥设备服务, 热水系统的控制并入流化床的PLC系统, 所有参数、设备均要求在PLC进行操控, 控制的参数或动作有进水电磁阀、液位控制、蒸汽进汽电磁阀、加热温度、循环泵、水压力等项目, 在清洁验证时将工艺参数进行储存, 在实际生产时可以直接重复使用即可。CIP在流化床干燥设备中可以根据实际需要, 在进风口底座暗敷、筒体中间、过滤器上部、排风管道口设旋转喷淋头, 在流化床接管面板上有初洗用水、热水、纯化水几个接口, 可以根据设定的程序进行在线清洗, 具有水压力不足报警功能。在实际使用中, 流化床干燥设备不能做到完全意义上的CIP, 因为CIP存在一定的风险, 如过滤袋不能有效清洁、过滤袋的干燥、进风口筛网不易清洁等, 这些内容均要求进行严格、全面的清洁验证。
实际上许多用户采用的是WIP清洗。通常作为口服固体制剂车间, 包衣机、制粒线、清洗站等共用一套工艺热水系统, 这是一套独立的水循环系统, 其将热水接到面板上, 通过流化床干燥设备的PLC控制热水电磁阀或气动阀, 设定清洗时间, WIP的前提是将过滤袋和其他可拆部件拆下来, 根据需要使用初洗用水、纯化水、洗涤剂等。
5 结语
流化床干燥器 第6篇
关键词：喷雾干燥技术,循环流化床,焚烧技术,污泥处理
污泥, 指的主要是在城市污水处理过程中产生的泥浆状废弃物, 污泥中含有重金属、病菌等有害物质, 因此危害性比较大。相关统计数据显示, 伴随着人口的增长和城市化的发展, 污泥的数量呈现上升趋势。如何解决这些污泥、进行有效处理, 成为当前城市化发展中的一大难题。以下从工作实践出发, 详细阐述了喷雾干燥技术和循环硫化床焚烧技术在处理污泥中的应用, 希望以此指导污泥的处理工作。
一、喷雾干燥技术的工程应用
1. 工作原理
根据污泥和加热设备的不同接触方式, 可以将此类工艺分为直接干化和间接干化两种, 而喷雾干燥就属于直接干化的范畴。所谓喷雾干燥, 就是在雾化器的作用下将原料变为雾滴, 通过热空气的干燥雾化从而得到干燥产品。这一技术原理通常用在食品工业、化学工业、生物工业、纤维素工业中。经过技术改进, 就能够使用在污泥的干燥上。
按照空气和雾滴流动方式的不同, 可以将喷雾干燥这一技术分为逆流干燥、并流干燥、旋转流干燥、混合流干燥几种类型。污泥属于热敏性物质, 遇热不稳定, 容易发生分解、聚合等反应, 因此普遍采取下流向的并流干燥模式。这种模式将喷嘴安装在塔的顶端, 在塔顶进入热空气和污泥。首先, 污泥和热空气在塔顶接触, 这里温度最高, 污泥中会因为水分蒸发而使得空气温度下降。然后, 污泥颗粒运动至塔的底部, 就会变得干燥, 空气的温度也会降至最低。最后, 通过对出口空气温度进行控制, 来防止污泥的温度过高。不过, 由于喷嘴安装在塔的顶部, 因此需要经常进行检修和更换工作。
2. 工艺特点
第一, 干燥工作的强度比较高, 运行速度快。喷嘴雾化后, 增大了污泥与热空气的表面积, 因此干燥的时间很短, 据相关测算, 以每小时工作量来计算, 强度能够达到12—15Kg/m3。
第二, 在干燥的过程中, 液滴的温度相对较低。一方面, 经验表明, 高温气流情况下, 表面湿润的物料自身温度不会超过湿球温度。另一方面, 干燥的速度较快, 所以产品的温度是比较低的。这种状况刚好符合污泥的干燥工作。
第三, 污泥经过干燥处理后, 它的流动性和分散性依然良好。污泥的干燥是在空气中进行并完成的, 所以即使干燥以后, 也能够保持和液滴类似的球形。
第四, 整个干燥操作在干燥塔内进行, 干燥塔具有密闭性, 它内部的空气形成了负压, 因此可以防止干燥后的产品和有毒气体随处泄漏。也就是说, 这样能够有效避免发生空气污染的情况, 起到环境改善的效果。
第五, 该喷雾干燥系统能够实现连续化作业、规模化生产, 这满足喷雾干燥24小时运行的要求。就一台系统而言, 以污泥含水量为80%计算, 其处理能力能够达到每天360吨。
第六, 整套喷雾系统自身的磨损比较小, 与我国污泥含沙量高的特点相适应。并且整个结构比较简单, 在操作和控制中十分方便。
3. 设计要求
第一, 喷雾干燥技术的重点与难点在于对脱水污泥进行有效的雾化, 所以为了避免喷嘴被异物堵塞, 首先要对进口污泥采取过滤的措施。在干燥塔的内部, 应该设置热风分布系统, 它的目的在于保证空气和污泥能够最大程度上接触, 避免出现半湿物料粘连在塔壁上的现象。
第二, 对污泥的进料量和进气温度进行控制, 能够有效控制干化之后污泥的含水率和产量。同时, 为了确保整个雾化过程的稳定性, 压缩空气应该由空气压缩机进行供给。
第三, 部分参数设定:干燥塔的长度与半径比控制在6—10之间, 能够有效防止物料粘壁的现象发生。另外, 干燥塔内部的空气流动速度控制在0.2—0.5m/s最为适宜。
二、循环流化床焚烧技术的工程应用
1. 工艺流程
流化床焚烧技术的工艺流程如图1所示, 污泥是由65%的消化污泥和35%的剩余污泥组成, 流进离心脱水机, 经过机械脱水, 将污泥的含水量降到75%。干燥机是圆盘形状的, 蒸汽压在饱和状态下是9bar。经过处理之后的污泥, 其含固率能够达到55%左右。这种污泥进行流化炉中, 可以确保自行燃烧, 不用添加其它助燃剂, 因此做到了能源的节约。当飞灰、烟气达到850℃时, 就会共同离开焚烧炉, 在余热锅炉内将温度降低至210℃。然后, 使用静电除尘器进行脱尘处理, 将灰尘含量控制在100mg/m3。最后在烟气洗涤装置的作用下, 通过烟囱将烟气排走;灰尘则储存在灰尘贮房中, 再利用或者集中处理。
2. 工艺特点
我国的循环流化床焚烧技术经过创新发展, 能够处理不同的产品, 具有不同的处理能力。在进料上、排渣上、燃烧控制上、尾气处理上相关技术均已成熟。物料在入炉前不需要太多处理, 具有良好的经济效益和环境效益。具体来说, 包括以下几点:
第一, 对我国混合收集的污泥、垃圾具有适应性, 能够保证燃烧完全, 残渣的热灼减率仅为1%—2%。不论污泥处于固态、液态、气态, 也不论燃料是否热值悬殊过大, 都能够统一送进炉内进行焚烧。
第二, 整套系统的配套研发技术比较成熟, 因此对污泥进行预处理或分类的要求少, 而且能够保证系统运行的稳定性。炉内运动机构并不复杂, 因此设备发生故障的概率大大降低。除此之外, 炉内各处的温度基本相等, 同时采用分级供风、添加石灰石的措施, 来对有害物质进行彻底分解, 有效减少了硫化物和氮化物的生成, 保护了环境。
第三, 目前投入使用的循环流化床焚烧炉, 单炉日均处理能力可达到100—500吨, 因此可以适应大型的垃圾焚烧厂开展工作。为了提高炉内的燃烧质量, 可以向炉内加入燃料煤, 节省了使用油的成本, 提高了经济效益。
第四, 将过热器布置在炉内的物料循环通道中, 能够避免接触焚烧烟气, 从而有效防止氯化氢的腐蚀。焚烧过程中的蒸汽温度由于温度较高, 可以利用在长规的热电系统中, 从而进行垃圾发电。
3. 工艺要求
第一, 对物料的进量、燃料数量、助燃空气量进行控制, 能够防止温度过低的情况, 从而解决燃烧不完全的现象, 减少熔渣的产生量。另外, 为了使物料和空气的接触面积更大, 对过剩空气量进行合理的控制, 使过剩空气量维持在100%—150%, 二燃室的过剩空气量控制在80%。
第二, 部分参数设置:炉体的长度、转速、倾斜角在设置时要相互考虑到, 保证物料在炉内的停留时间不得少于30秒。另外, 二燃室内部的燃气滞留时间要超过2秒, 且温度要高于850℃。
三、喷雾干燥联合循环流化床焚烧技术的工程应用
1. 工艺流程
第一步, 储料仓在螺杆泵的作用下, 将物料输送至预热塔。在预热塔内, 对物料进行简单的预处理。第二步, 物料经过预处理, 在螺杆泵的作用下输送至喷雾干燥塔, 在此对污泥进行雾化干燥处理。第三步, 干燥处理之后的污泥经过污泥造粒装置, 在输送机的作用下被送至流化床焚烧炉内, 在此进行焚烧处理。经过处理之后, 炉渣可以进行再次利用。第四步, 在干燥、焚烧过程中产生的有毒有害气体, 进入脱硫装置进行脱硫处理;产生的污水则进入排污管, 存放在碱液储罐中, 加入浓度为20%的碱液进行中和处理。第五步, 脱硫之后的气体进入除臭装置进行除臭处理;污水则排放至排污管, 存放在次氯酸钠储罐中, 加入浓度为20%的次氯酸钠溶液进行处理。第六步, 经过脱硫处理和除臭处理之后, 气体基本没有毒害, 可以由烟囱排放至空气中。如图2所示:
2. 工艺特点
第一, 污泥的干燥过程可以利用焚烧产生的高温烟气, 喷雾颗粒细小化增加了传热传热面积, 大大提高了传热效率和效果。干燥后的污泥颗粒分布比较均与, 有利于充分燃烧。
第二, 污泥的干燥装置和焚烧装置在空间利用上更加紧凑, 因此节约了占地面积, 进而有利于减少项目投资。
第三, 经过干燥和焚烧, 排出的气体毒害性较大, 因此加装了脱硫装置和除臭装置, 从而实现环境保护的目标。在干燥设备和焚烧设备上, 都是使用的国产设备, 投资成本较低, 维修运行比较方便。
第四, 焚烧后的热量可供给喷雾干化使用, 再次利用可以大大降低热量的消耗, 略加补充燃煤的情况下可保证系统的独立运行。
3. 工程实例
绍兴污水处理厂是我国规模较大的污水处理厂, 主要工作是绍兴市县工业废水和生活污水的集中处理, 达到相关标准后才能排放。该厂建设完成后, 污水处理量达到每天90万m3, 脱水污泥量达到每天3600吨。
该厂联合采用喷雾干燥技术和循环流化床焚烧技术, 处理后的废渣能够进行综合利用。通过该工程的建设利用, 使绍兴市的污泥无害化达到80%以上, 促进了污染物减排的目标。经过实际运行, 废气的除尘处理效率高达93%以上, 脱硫效率在97%左右。经过活性炭吸附、净化塔处理之后, 二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、烟尘等物质的排放均符合生活垃圾焚烧污染控制标准, 取得了良好的经济效益和生态效益。
结语:
综上所述, 在污泥的处理上, 联合应用喷雾干燥技术和循环硫化床焚烧技术, 具有占地面积小、系统操作简单、投资成本低的优点, 能够实现污泥处理的稳定化、无害化, 并且最大程度上对资源进行再利用。城市的土地资源有限, 污泥有害物质超标严重, 因此应用该技术再适合不过。尽管如此, 该技术只是解决了简单的污泥处理问题, 需要在日后不断应用的过程中进一步改进和优化, 推动城市化的快速发展。
参考文献
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