生物制藥設(shè)備之干燥原理與干燥設(shè)備

干燥曲線一、固體濕物料的干燥過程預(yù)熱第二降速恒速干燥第一降速1.預(yù)熱階段

隨著固體物料表面溫度的升高，濕物料內(nèi)部空隙中的水分開始由內(nèi)向外移動，形成固體物料表面非結(jié)合水分，并汽化進入空氣。物料中的水分蒸發(fā)速度加快，總含水量降低，表現(xiàn)為物料加速失水。2.恒速干燥階段

當將物料加熱到某一溫度時，固體表面上的水分受熱后蒸發(fā)到空氣中的速度，以及空氣中的蒸汽冷凝到固體物料表面的速度都保持恒定不變，表現(xiàn)為物料恒速失水，此階段稱為恒速干燥階段。

3.第一降速干燥階段

當物料表面非結(jié)合水分數(shù)量減少，局部非結(jié)合水分被去除，內(nèi)部水分不能及時擴散到表面，表面不是全部潤濕的狀態(tài)，由此開始第一降速干燥階段。

實際生產(chǎn)中，物料中總含水量降低到一定的范圍就終止了干燥過程，此時物料總含水量高于平衡含水量。注意：

當進物料表面溫度開始升高，汽化過程從表面逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，汽化量降低，總含水量降至為平衡含水量，濕物料的干燥過程完結(jié)。4.第二降速干燥階段二、恒速階段的干燥速度單位時間內(nèi)單位面積上所能汽化的水分量叫干燥速度。

干燥速度，單位為。熱空氣與物料間的對流傳熱系數(shù)，單位。濕球溫度，℃；為水在濕球溫度下的汽化熱，單位。三、固體物料的干燥時間

固體物料在干燥器中的停留時間稱為干燥時間。固體物料的干燥時間是四個階段所耗時間之和。

預(yù)熱時間短，并入恒速干燥階段計算，第一降速干燥階段和第二降速干燥階段合并為降速干燥階段計算。1.恒速干燥時間的計算絕對干物質(zhì)質(zhì)量；進口干基濕含水；臨界干基含水量干球溫度2.降速干燥時間的計算計算方法有圖解積分法和解析法。解析法：為恒定干燥速度曲線的斜率；為物料干基平衡含水量，單位。3.物料干燥時間物料干燥所需總時間為：四、水分蒸發(fā)量D

以濕基含水量表示，濕物料的水分蒸發(fā)量為：濕物料的水分蒸發(fā)量，單位。分別為進料速度和出料速度，單位。進料濕基含水量；單位。出料濕基含水量，單位。五、絕干空氣用量

熱空氣在進出干燥器的過程中，絕干空氣沒有損失，質(zhì)量保持不變。但濕物料蒸發(fā)出的水分進入了熱空氣，所以，熱空氣總質(zhì)量增大。增加的質(zhì)量就是濕物料的水分蒸發(fā)量。蒸發(fā)1kg水分所消耗的絕干空氣的質(zhì)量；熱空氣進口濕度；熱空氣出口濕度。六、干燥產(chǎn)品流量

例題1：常壓下用連續(xù)干燥器干燥某物料，物料含水量為15%，進料速度為每小時1200kg,物料出口含水量2.5%。熱空氣的進口濕度為0.0085,經(jīng)預(yù)熱后進入干燥器，出干燥器的濕度為0.0058,試求：（1）水分蒸發(fā)量；（2）空氣消耗量；（3）干燥產(chǎn)品流量。解：已知（1）水分蒸發(fā)量（2）空氣消耗量（3）干燥產(chǎn)品流量物料中的水分干燥：除去固體、半固體及糊狀物料中濕分的過程稱為干燥。加熱干燥壓力常壓干燥

將物料置放在常壓下進行的干燥真空干燥

將物料置放在真空環(huán)境中進行的干燥干燥方法機械干燥

在機械設(shè)備擠壓等操作下進行的干燥熱能干燥冷凍干燥熱能干燥是使物料中濕分汽化移除的過程1.結(jié)合水分一、結(jié)合水分與非結(jié)合水分水分與物料間借助化學(xué)或物理化學(xué)力結(jié)合的水分。結(jié)晶水分：

水分與物料分子間以化學(xué)力結(jié)合，有定量的組成，不能用干燥的方法去除。吸附結(jié)合水分：水分與物料分子之間以范德華力結(jié)合，無定量組成關(guān)系，采用一般干燥法去除。毛細管結(jié)構(gòu)水分：水分被吸附在固體物料毛細管中，可用機械干燥法除去。結(jié)合水分2.非結(jié)合水分

機械地附著于物料固體表面、存積于大空隙內(nèi)和顆粒堆積層中的水分稱為非結(jié)合水分。特點

結(jié)合力弱，與同溫度下純水的蒸汽壓相同，用一般的干燥法即可除去。3.溶脹水分以溶液形式存在于固體物料或細胞內(nèi)的水分二、自由水分與平衡水分

用一定濕度的空氣做干燥介質(zhì)，在恒定的干燥條件下，根據(jù)物料中的水分能否被蒸發(fā)除去，可分為自由水分和平衡水分。自由水分在恒定干燥條件下，能被蒸發(fā)除去的水分。平衡水分在恒定干燥條件下，物料中的水分與環(huán)境中的水分交換達到平衡時，物料中保留存在的水分叫平衡水分。水分平衡水分一般不能被普通的干燥方法去除三、濕物料中含水量的表示方法1.濕基含水量W水分在濕物料中的質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量百分數(shù)稱為濕基含水量。2.干基含水量X濕物料中的水分與濕物料中絕干物料的質(zhì)量比，稱為干基含水量。（三）濕基含水量與干基含水量的關(guān)系二、干燥過程物料衡算在干燥過程所采用的干燥介質(zhì)常為熱空氣，其內(nèi)含有少量的水分。

干燥過程中，物料與干燥介質(zhì)的流動狀態(tài)可看成是逆流，已知的參數(shù)有濕空氣進出干燥器的濕度和溫度，干燥前物料的含水量和干燥后物料的含水量。流化床干燥器流化床干燥器流化態(tài)

加熱空氣從下部通入向上流動，穿過干燥室底部的氣體分布板，將分布板上的濕物料吹松并懸浮在空氣中，物料所處的狀態(tài)。流化床進行流化態(tài)操作的設(shè)備

制藥行業(yè)所使用的流化床干燥裝置可分為單層流化床、多層流化床、臥式多室流化床、塞流式流化床、振動流化床、機械攪拌流化床等。一、單層流化床干燥器結(jié)構(gòu)

單層流化床干燥器由鼓風(fēng)機、加熱器、螺旋加料器、流化干燥室、旋風(fēng)分離器、袋濾器、氣體分布板組成。二、操作注意事項1.溝流和死床

加熱空氣流速大于流化所需要的臨界流速而床層不流化，濕物料層被空氣吹成了若干條溝槽，這種現(xiàn)象叫溝流產(chǎn)生溝流后沸騰式干燥不能進行叫死床。

消除溝流和死床的辦法有加大氣流流速；對物料進行預(yù)干燥；通過實驗選擇空氣分布板等方法。2.騰涌

上升的氣流穿過氣流分布板后，形成氣泡，且相互匯集成更大的氣泡，直徑接近床層直徑，并將濕物料如活塞般拋起，到達一定的高度后崩裂，碎裂顆粒被向上拋送后紛紛落下，這種現(xiàn)象叫騰涌。

干燥過程中出現(xiàn)了騰涌，將產(chǎn)生干燥不均勻的現(xiàn)象，有時會使干燥無法正常進行。消除騰涌現(xiàn)象的方法有調(diào)節(jié)進料量、選用床高與床徑之比相對較小的床層、對物料進行預(yù)處理等。3.操作參數(shù)物料的粒度濕物料含水量不超過5%顆粒狀物料含水量不超過15%

由于增大了空氣與濕物料的接觸面積，傳熱速率加快，所以流化床干燥器生產(chǎn)效率高，熱利用效果好。優(yōu)點噴霧干燥器一、噴霧干燥器的結(jié)構(gòu)霧干燥是將料液分散成霧滴，以熱空氣與霧滴接觸使物料干燥的過程。噴霧干燥裝置由空氣預(yù)熱器、氣體分布板、霧化器、噴霧干燥室、高壓液泵、無菌過濾器、貯液罐、抽風(fēng)機、旋風(fēng)分離器等部件組成。噴霧干燥器的組成及工藝流程

原料由料液貯槽經(jīng)無菌過濾器過濾后用高壓泵送至霧化器噴成霧滴。空氣經(jīng)過濾器過濾后用風(fēng)機送至加熱器加熱，通過氣體分布板進入噴霧干燥室。在干燥室中，熱空氣與霧滴接觸而被干燥。完成加熱后的空氣經(jīng)旋風(fēng)分離器除去其中夾帶的干燥物料后，用抽風(fēng)機排空。干燥產(chǎn)品收集在干燥器和旋風(fēng)分離器底部的接料桶中。

在噴霧干燥器過程中，霧滴的大小與均勻程度對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。若霧滴不均勻，就會出現(xiàn)大顆粒還未干燥到規(guī)定指標、小顆粒已干燥過度而變質(zhì)的現(xiàn)象。注意：二、霧化器1.離心霧化器

離心霧化器是一個圓盤，盤上有放射形葉片，由電動機傳動，圓盤轉(zhuǎn)速為。

將料液送入高速旋轉(zhuǎn)的圓盤中部，液體受離心力的作用而被徑向甩出，到達周邊時呈霧狀噴灑到干燥室中。

性能及應(yīng)用

離心霧化器具有操作簡便、適用范圍廣、料液通道大不堵塞、動力消耗少等優(yōu)點。但需要有傳動裝置、液體分布裝置和霧化輪，對加工制造精度要求高，檢修不便。2.壓力式霧化器

壓力霧化器由高壓泵、噴嘴、旋轉(zhuǎn)室組成。噴嘴安裝在霧化室上部，與旋轉(zhuǎn)室內(nèi)壁成切線關(guān)系。液體壓力升高到2MPa～20MPa后，經(jīng)噴嘴從切線進人旋轉(zhuǎn)室中，并沿旋轉(zhuǎn)室內(nèi)壁作高速旋轉(zhuǎn)運動，然后從出口小孔處呈霧狀噴出。

壓力霧化器結(jié)構(gòu)簡單、操作及檢修方便，需要有高壓泵配合使用，噴嘴孔徑較小，易堵塞且磨損大，壓力霧化器適用于低粘度的液體，不適用于高粘度液體及懸浮液。性能及應(yīng)用3.氣流式霧化器

用壓強為的空氣從環(huán)形噴嘴高速噴出，因高速氣流產(chǎn)生了負壓，從而將中心噴嘴處的料液以膜狀吸出，液膜與高速氣體在環(huán)形噴嘴內(nèi)側(cè)混合，并分散成霧滴。

氣流式霧化器構(gòu)造簡單、磨損小，適用于各種粘度的料液。操作彈性大，可利用氣、液比控制霧滴尺寸，但壓縮空氣用量大，消耗的動力多。三、物料與干燥介質(zhì)的接觸方式

在干燥室內(nèi)霧滴與干燥介質(zhì)接觸方式有并流、逆流和混流三種.

并流：空氣和料液都從干燥器頂部進人，霧化器也裝在頂部，兩者向下作并流流動。

逆流：若空氣改從干燥器的底部送人，霧化器仍裝在頂部則為逆流接觸。

混流：若霧化器裝在干燥室底部，空氣由頂部向下吹，則二者先作逆流流動，后轉(zhuǎn)為并流，屬于混流接觸。四、噴霧干燥器的特點

物料的干燥時間短，通常為15s～30s，甚至更少；產(chǎn)品可制成粉末狀、空心球狀或疏松圓粒狀，工藝流程簡單，原料進人干燥室后即可獲得產(chǎn)品。廂式干燥器

在制藥工業(yè)中通用的干燥設(shè)備有廂式干燥器、洞道式干燥器、流化床干燥器、噴霧干燥器、冷凍干燥器等。

廂式干燥器又稱為盤式干燥器或室式干燥器，是典型的間歇式干燥設(shè)備。一、廂式干燥器的一般結(jié)構(gòu)廂式干燥器由箱體、加熱器和溫度控制系統(tǒng)三部分組成。1.箱體的一般結(jié)構(gòu)

箱體由箱壁、填料、干燥室、箱門、進排氣孔、側(cè)室等部件組成。側(cè)室設(shè)計有溫度控制系統(tǒng)。夾套中裝填有絕熱料，常用絕熱材料為玻璃纖維或石棉板。2.加熱器加熱器是一組電爐箱或管式蒸汽加熱器，起著提高冷空氣溫度的作用。3.溫度控制器控制器靈敏度多為±1℃（1）差動棒式溫度控制器

感溫器是一根直徑為3毫米的銦鋼絲，其右端通過頂棒頂至動接點臂的突尖上，彈簧使得兩接點臂總有一個向右的作用力。通電前，只要調(diào)溫旋鈕沒有旋至零位，兩接點是閉合的。通電后，電熱絲電源相接，箱內(nèi)溫度升高。由于銅管的膨脹系數(shù)遠比銦鋼絲的大，雖然同樣受熱，但銅管相對伸長，帶動銦鋼絲向左移動，在彈簧的彈力和臂的杠桿作用下，頂棒亦跟著向左移動，接點則向右移動而斷開，切斷加熱電路。箱內(nèi)溫度下降時，銅管冷卻而收縮，推動頂棒向右移動，使接點閉合，加熱電路再次接通。如此反復(fù)，即可使箱內(nèi)恒溫。

箱內(nèi)溫度的高低，可通過調(diào)節(jié)桿來調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)桿上的螺紋是反向螺紋，當反時針方向旋轉(zhuǎn)時，接點斷開。當調(diào)節(jié)桿按順時針方向旋轉(zhuǎn)時，接點連通。（2）溫度控制電路

溫度控制電路通常由溫度設(shè)定裝置、溫度傳感器、放大器、繼電器及顯示器等組成。溫度設(shè)定電路用來設(shè)置需要加熱的溫度。溫度傳感器用來感測電熱箱中的溫度。

當溫度傳感器感測到的溫度低于設(shè)定溫度時，放大器飽和導(dǎo)通，繼電器線圈帶電，其接點Jx吸合，給電熱箱加熱。反之，當傳感器感測的溫度和設(shè)置的溫度相同時，放大器截止，繼電器線圈中無電流通過，其接點斷開，停止加熱。

放大電路的另一個作用是與顯示器配合，將設(shè)置的溫度及加熱箱內(nèi)的溫度實時地顯示出來。二、典型的廂式干燥器干燥介質(zhì)：熱空氣穿流式、平流式、真空式氣流狀態(tài)：1.穿流廂式干燥器

在穿流廂式干燥器中，盛裝物料的淺盤具有微小的氣孔，熱空氣從氣孔向上穿過物料層，與物料直接基礎(chǔ)傳熱，使水分蒸發(fā)，并帶走。2.水平氣流廂式干燥器

干燥室中設(shè)計有若干層擱物架擱置淺盤，干燥時，將物料按10mm—100mm的厚度鋪置在淺盤中，加熱空氣由空氣整流板均勻進入干燥室各層之間，從物料的上方流過。物料中的水分蒸發(fā)成蒸汽，隨空氣排出。

水平氣流廂式干燥器的進氣速度取決于物料的粒度，其大小使物料不被氣流帶走為宜，一般為3.廂式真空干燥器