沸騰干燥技術與臥式沸騰干燥機在制藥行業的應用

卜海龍 秦家峰 張錫兵

（1.廣西慧寶源制藥有限公司，廣西欽州535099；2.常州市潤邦干燥設備科技有限公司，江蘇常州213000）

1 沸騰干燥（流化）狀態

物料的沸騰狀態稱為流化態，顆粒劑的干燥單指氣—固流態化。

物料開始在沸騰床內是靜止不動的，稱為固定床狀態；隨著氣體的不斷增加，顆粒開始松動，稱為臨界流化態；隨著氣速增加，物料開始膨脹，有氣泡出現稱為聚式流化態（正常的沸騰狀態），無氣泡出現稱為散式流化態（正常的沸騰狀態），氣泡的出現比較大而不均勻稱為騰涌（非正常的沸騰狀態），氣泡的出現比較大且從固定的路徑流走稱為溝流（非正常的沸騰狀態）；隨著氣速的再增加，物料將被氣體帶走稱為揚析（氣力輸送狀態）。

1.1 非正常的流化狀態

在聚式流化狀態時，由于床體氣泡產生，致使氣-固表面接觸惡化，不利于顆粒表面的干燥，根據床體的水力直徑和高度的關系會出現以下情況：床體的截面積小，或其高度與直徑之比相差較大，多個氣泡可能沿著床層徑向匯合增大，大到與床體的截面積相等時，床層達到一定高度后氣泡會崩裂，顆粒似雨而下，這種現象叫騰涌；如果氣泡沿著軸向匯合起來，貫穿整個床層，床層內形成一條狹窄通道，而其他床層并不流化仍舊處于靜止狀態，這種現象叫溝流現象（仍舊處于靜止狀態的現象叫死床），這2種現象都是不正常的流化現象。

騰涌會造成床層顆粒密度不均勻，降低產品質量，導致固體顆粒的機械磨損或帶出，還會損壞設備的內部構件。容易導致騰涌發生的條件有：床體與床徑比（L/D＞10）較大時，氣速增加到一定值，就會產生騰涌，而L/D＜1及設備較大時，則不易產生騰涌；大顆粒比小顆粒容易產生騰涌。消除騰涌的辦法是在床體內設置內部構件。

溝流會造成床層密度不均勻，產生死床，降低產品的干燥均勻度和產量。容易導致溝流發生的條件有：顆粒的粒度較細且氣速較低；物料潮濕，物料易黏結、團聚；氣流分布板設計不佳，通氣孔過少或通過孔的氣速太低。消除溝流（死床）的有效方法是加大氣速，物料預先干燥，在床體內設置內部構件。

1.2 散式流化狀態和聚式流化狀態

正常的流化狀態很大程度上取決于固體顆粒的性質，即顆粒的密度、平均直徑、流動性質、床層的空隙率和物料的休止角。顆粒的過篩直徑一般為14～40目（美國標準）、顆粒的粒度為1.0～1.5 mm、空隙率為0.4是比較容易控制在正常的流化狀態。

1.2.1 正常流化時顆粒在沸騰床中的狀態

床體的高徑比接近1時，物料是從床體的兩邊沸起由中間落入，形成左邊為順時針圓弧，右邊為逆時針圓?。划敋馑偕晕⒃黾訒r，物料從床體的中間沸起由兩邊落入，形成右邊為順時針圓弧，左邊為逆時針圓?。淮搀w的高徑比接近2時，顆粒則沿著壁面向下流動，床體當中的物料也向下流動，物料的運動形成上下4個圓，極為不穩定；床體的高徑比接近0.5時，物料運動會形成多個正逆向旋轉的圓弧，表現為物料在沖孔板的出風口跳動。

在制藥工業中，為了方便清洗，沸騰干燥器的設計一般不設置內部構件，這就要求從操作層面性來考慮設計，保證對流化質量的控制，彌補沸騰床內部構件少的不足。

1.2.2 聚式流化狀態和散式流化狀態的判定

判定聚式流化狀態和散式流化狀態這2種理想流化狀態的弗魯德（Froude）數：

式中 （Fr）mf——臨界流化狀態下的弗魯德數，無量綱；

umf——臨界流化速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

dp——固體顆粒的平均直徑，mm。

若（Fr）mf＜0.13，則判定為散式流化狀態；若（Fr）mf＞1.3，則判定為聚式流化狀態。通過公式可以看出，流化態的好壞很大程度上取決于固體顆粒的性質和流化的風速。

2 沸騰干燥在流化過程中的特點

2.1 輸送物料高效

被沸騰流化的物料可以像流體一樣流動，這種性能可有效地用于小顆粒物體的輸送，簡稱氣墊輸送裝置。潤邦干燥特殊的網板設計，可讓干燥段和冷卻段的過料和出料100%干凈。

2.2 混合物料均勻

物料的濕法混合不能保證物料的混合均勻性，但經過流化混合后就能保證物料的顏色和性質的均勻性。

2.3 干燥顆粒高效

沸騰干燥機的熱效率為一般靜態干燥機的3倍，能讓顆粒得到充分的干燥，其最終水分可達到≤1.5%。

3 臥式沸騰干燥機的構成

臥式沸騰干燥機主要可分為主體設備和輔助設備。主體設備是包含在流化床內的一些構件，輔助設備是設置在流化床外的一些構件。

3.1 臥式沸騰干燥機的主體設備

臥式沸騰干燥機的主體設備包括機殼、氣流預分布器、氣流分布板、換熱器、內部構件、床內氣固分離裝置、頂蓋和底蓋等。

3.1.1 機殼

機殼主要保證流化過程局限在一定范圍內進行。

3.1.2 氣流預分布器

氣流預分布器由外殼和氣流導向板組成，是連接鼓風機和氣流分布板的部件，也是提高分布板氣流均勻分布程度的關鍵部件。

3.1.3 氣流分布板

氣流分布板是固體顆粒通過沸騰氣流的板狀構件，是沸騰干燥機中至關重要的構件。一塊好的氣流分布板要滿足有良好的氣流分布狀態、阻力小、不漏料、不堵塞、結構簡單、制造和檢修方便等要求。分布板對物料流化的作用是有限的，一般有效高度在分布板向上高度的250～300 mm以內，超出這范圍分布板的作用就不是很明顯了。為了滿足制藥行業的要求，一般采用直孔型、斜孔型、直斜孔混和型3種分布板。

3.1.4 換熱器

換熱器是沸騰干燥必不可少的換熱裝置，制藥行業主要用蒸汽換熱器和電加熱換熱器。

3.1.5 床內氣固分離裝置

床內氣固分離裝置的主要部件有：擴大沸騰床直徑、降低氣速的擴大箱體，以使物料自由沉降；防止物料流出，使其在箱體內循環的內置旋風風離器；能在箱體內部有效捕塵的內置過濾器。

3.2 臥式沸騰干燥機的輔助設備

臥式沸騰干燥機的輔助設備主要有：物料裝卸裝置、風機設備室、床外氣固分離裝置、顆粒流動的控制機構。

3.2.1 加料裝置

小產量的加料裝置一般用重力流動法加料，也就是靠固體顆粒的本身重力流入床層和流出床層。機械輸送法使用比較廣泛，通常配套有螺旋輸送機、皮帶給料機、圓盤給料機、星形給料器和提升機等；氣流輸送法是靠氣體的動力攜帶固體顆粒定向流動，或稱氣力輸送，氣流輸送方法的優點是結構簡單、輸送量大、調節方便、幾乎無粉塵飛揚，便于與上下游設備的連接，符合GMP要求。

3.2.2 風機設備室

風機設備室是沸騰干燥機必不可少的輔助設備，由于運行和計算條件之間有所差別，因此選擇風機時要考慮一部分儲備，流量儲備大約為5%～7%，鼓風機壓頭儲備量為10%，引風機儲備量為12%。

4 沸騰干燥機的優點及其在制藥行業的應用

4.1 沸騰干燥機的優點

流化技術在工業生產中的應用十分廣泛，主要用于物料的輸送、細粉的混合、熱交換、熔融物料凝固成粒、顆粒的干燥、物料的涂覆、顆粒的增長和吸附等。在制藥行業，流化技術主要應用于物料的涂覆（包衣）、顆粒的增長（制粒）和顆粒的干燥。

沸騰干燥機適用于無凝集特性的散粒狀物料的干燥，其具有生產力強、熱效率高、造價低和容易操作等特點，加上其結構簡單、便于清洗，被制藥企業廣泛認可，主要應用于藥品顆粒的干燥，幾乎每個固體制劑藥廠都有此設備。

臥式沸騰干燥機作為沸騰干燥機的一種特殊形式，在具備普通沸騰干燥機優點的同時，還具有如下特點：（1）干燥物料時，床層溫度均勻；（2）當需要冷卻工藝時，設備可以制作成加熱和冷卻一體式；（3）對物料可像流體一樣輸送，可以做到負壓上料，減少加料勞動強度；（4）可以實現連續化和自動化；（5）固體顆?？梢宰鳛闊彷d體，提高物料的干燥熱效率；（6）物料的適用范圍廣，大顆粒、粉末、片狀、棒狀、帶一定黏性的物料均適合；（7）傳熱系數大，生產能力強；（8）占地面積小，投資小，設備維修簡單；（9）容易清理。

4.2 臥式沸騰干燥機在制粒聯線中的應用

圖1為臥式沸騰干燥機在制粒聯線中的應用示意。在顆粒劑生產中，將臥式沸騰干燥機與制粒、篩選設備組合起來，形成密閉的物料轉輸，既解決了粉塵飛揚的問題，也能滿足大產量的需求。該流程目前在中藥制藥廠得到普遍的推廣應用。

5 臥式沸騰干燥機的設計要點

潤邦干燥公司的臥式沸騰干燥機對其設計有嚴格的控制，控制用風機通過變頻可以有效地找到和控制合理沸騰狀態，伸縮性比較大。潤邦干燥公司經過多年的不斷改進，對臥式沸騰干燥機主要做了以下改進：擴大了袋式過濾器面積，確保過濾效果和流化穩定，機器能連續不斷生產；改進了設備結構，便于清潔；在物料出口增加了強磁場的磁鐵，可以有效吸附物料的鐵屑；優化了控制系統，機器采用觸摸屏+PLC控制，提升了自動化控制水平。另外，可以根據不同的物料設計不同的透氣板。

圖1 臥式沸騰干燥機在制粒聯線中的應用

5.1 邊界效應

在臨界流化時需要的壓降要比沸騰時高得多，所以要連續加料，但一開始箱體內不要有很多物料，以免出現非正常的沸騰狀態（溝流、死床）；風機變頻控制也是這道理。

值得一提的是，顆粒和流化床壁面之間由于形狀不同，導致顆粒與顆粒接觸以及顆粒與流化床壁面接觸的狀態有所差異。因此，床層中間的空隙率要小于靠近床壁的空隙率，這就是沸騰干燥機的邊界效應。

5.2 流化床的壓降

當顆粒大小為0.16 mm時，臨界流化壓降為2 800 Pa；當超過臨界流化狀態時，壓降為2 200 Pa，明顯變小。

5.3 操作速度的選擇

慢速操作適用的條件有：容易破碎的、價格昂貴的、顆粒直徑差異大的、流動性好的、容易產生粉塵且不易捕獲的、窗體無內部構件的等。

快速操作適用的條件有：干燥速度快的、傳熱系數高的、有內部構件的、床體需要恒溫的等。

5.4 物料在流化時的膨脹比

潤邦干燥公司設計的限制沸騰床膨脹比范圍為1.47～1.86。

5.5 開孔率

通常粉體的分布板的開孔率在0.4%～1.4%比較科學，而一般干燥廠的床體開孔率為2%。顆粒劑的開孔率比較大，達到12%。

6 結語

臥式沸騰干燥機因其產量大的特點而在制藥行業得到越來越廣泛的應用，同時，在單機的基礎上，潤邦干燥公司開發了臥式沸騰干燥線，采用聯線生產方式，降低了勞動強度，節省了人員用工，提高了產量。

相信隨著臥式沸騰干燥機的普及推廣，會有更多的技術得到改進，比如清洗裝置的完善、除塵裝置的優化等。