沸腾干燥机在制药行业应用的应该做些适当的改进
     摘要:从沸腾干燥机的工作原理等入手,对目前该设备普遍存在的一些问题作了简要分析,并提出了一些改进建议。
  在固体制剂的生产工艺中,沸腾干燥机是经常被选用的设备。沸腾干燥具有传热效果良好、生产能力大、温度分布均匀、操作形式多样、物料停留时间可调、投资费用低廉和维修工作量较小等优点。在国内经过30多年的使用与改进,已显示出其在干燥领域的独特地位,目前在制药、化工、食品等方面越来越体现出它的重要作用。
  1沸腾干燥机的工作原理、流程与特点
  1.1工作原理
  沸腾干燥又称流化床干燥,它利用热空气流使湿颗粒悬浮,流态化的沸腾使物料进行热交换,通过热空气把蒸发的水分或有机溶媒带走,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方式,达到湿颗粒干燥的目的[1]。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。
  1.2工作流程
  物料通过料车运送到沸腾床,在气缸顶升作用下通过密封圈与沸腾床密封。然后,空气在引风机动力作用下,经过滤装置净化、散热器加热后,再经气流分布板(筛网)分配进入沸腾床(干燥室)。料斗内的物料在热风和搅拌作用下形成沸腾状态(即流态化),在大面积气、固两相接触中,物料内部的水分(或溶剂)在较短的时间内蒸发并随排出空气带走,物料被干燥。
  1.3技术特点
  (1)传热效果良好,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),生产能力大;
  (2)由于流化床内温度分布均匀,可避免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(如磨芋、聚丙烯酰胺等);
  (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)独立电气柜和PLC人机交互操作控制,集成了所有干燥参数设置,操作安全方便;
  (6)干燥装置机械传动部件少,设备的投资费用低廉,维修工作量较小。
  2对沸腾干燥机的改进建议
  经过长期的应用和发展,沸腾干燥机在结构、性能方面都有了明显的改善,质量也在不断提高,但还存在着一些问题,下面结合生产实践提出改进建议:
  2.1对热能利用不充分的改进建议
  沸腾干燥机从形式上来说是一种空气对流干燥设备,与传导型干燥设备相比,能耗确实要大一些,但如果采取一些措施,则可以达到很好的节能效果。建议:(1)加强设备的密封效果。目前大多数沸腾干燥机料斗与设备本体采用平面法兰连接,密封效果较差,建议设计时改用凹凸面法兰连接;(2)干燥器不少都采用钢管缠绕翅片进行换热,钢管虽可节约材料成本,但换热效果不好,建议改用铜管;(3)增加保温措施。对热交换器的外壳添加保温层,减少热能损失。
  2.2对捕集除尘装置的改进建议
  能够顺利进行流化工艺操作的基本条件是物料具有良好的流化状态,高效率的过滤除尘器使这种状态得以延续。过滤除尘器的除尘效率很大程度上决定了沸腾效果。目前使用的除尘方式主要有抖袋除尘和脉冲反吹除尘两种。
  2.2.1抖袋除尘
  通过气缸的往复运动实现捕集袋的摇振而达到除尘效果,其布袋采用防静电、无纤维脱落布制作,捕集袋采用整体吊装的形式。问题是布袋过滤器拆装不方便,吊筋选材不太合理容易引起变形,导致密封不严,也会引起跑粉和风量的变化,既污染了环境,又降低了产品收率。建议:过滤袋采用卡箍连接方式进行连接,吊筋选用不易变形的刚性材料,同时定期检查更换布袋。
  2.2.2脉冲反吹除尘
  随着国产电磁阀技术的进一步提高与价位的进一步降低,脉冲反吹除尘逐渐成为捕集装置的主流。目前采用的滤芯主要有布袋和不锈钢烧结网两种。其中,不锈钢烧结网滤芯是唯一对任何物料收率均能保证达到99%以上的产品。由于现在清洗技术的难题已基本解决,不锈钢烧结网滤芯在收率和使用寿命方面的优势逐步显现,药厂使用也越来越多。
  另外,随着环境保护的要求越来越高,建议完善除尘系统,增加二次除尘装置。
  2.3关于气流分布板(筛网)的改进建议
  沸腾干燥机中的气流分布板有两个作用,一是支承物料层,二是使气体分布均匀。分布板开孔的大小、形状、分布态势、开孔率等都对流体的分布起着至关重要的影响。气体分布不均匀,会使床层中出现“环流”,其趋于极端易使床层中某些部位出现“沟流”,而其余部位则是死床,这时大部分气体顺着床层中的某些通道以“沟流”的形式短路通过床层离去,使气固接触大为恶化,这是应该着力避免的。良好的分布板设计,应能抑制床层中出现不均匀性,即当床层中某些部位由于压降降低、气流速度增高时,分布板所产生的阻力应能抑制气流的增加,从而抑制流化的恶化。
  目前大部分沸腾干燥机使用的气流分布板形式单一,多采用垂直的打孔板或席形网板,物料在流化过程中很容易出现流化不均或产生死角等问题,不能确保颗粒中药品的均匀度,同时单一的开孔形式也不能满足不同药品的生产工艺要求。另一方面,为了减少药品的漏料损失,目前普遍采用多层网结构,气流分布板和沸腾床体多采用大量螺栓固定,拆卸不方便,不易清洗干净而产生残留引起交叉污染等问题。建议:利用计算机流体动力学模型、传热与传质模型,在气流分布板设计时对孔距、孔径、开孔率等参数进行空气动力学、热力学仿真计算并验证,以满足不同物料的生产工艺要求。在安装方式上,连接方式制成可拆卸式,以确保实现快装和彻底、完全的清洗。
  2.4对完善进风空气处理的建议
  热空气的采风口一般设置在辅机房,和加热装置、消音器安装在一起,辅机房与洁净区不设置直通的门窗,辅机房的空气洁净级别往往比较低,会影响药用热空气的质量,这就要求设备本身有良好的净化装置,否则未净化的空气会污染药品,难以达到GMP要求。
  目前国内许多设备对空气处理单元的配置为:初效过滤器—中效过滤器—蒸汽加热(或电加热)—(亚)高效过滤器。空气处理系统虽然配置了初、中、高效过滤器,但随着运行时间的不断增加,高效过滤器会出现堵塞或者破损,目前只能从外观上来鉴别判断是否需要更换,缺乏理论依据。提早更换会增加成本,推迟更换又会带来空气质量下降的风险,从而影响产品的质量。建议:在高效过滤器前后增加压差显示装置,当压差到达一定的数值后报警提示更换。
  此外,大多设备没有除湿装置,空气除湿问题始终存在,特别是在春末和夏季,空气湿度很大,如果不进行除湿会对物料的干燥产生很大影响。建议:增加除湿装置。
  许多沸腾干燥机设备的引风机与风阀不联动,这可能会导致在风机停机和蝶阀关闭之间引起空气倒流的现象。建议:风机的启停与风阀的开关联动起来,当风机启动时风阀同时打开,而当风机停止运行时,风阀同步关闭,以保证不会发生空气倒流。
 
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