流化床噴槍參數設置對包被過程中霧化效果的影響

◆作者：葉耿坪 張晶晶 朱志宏 施雯文 王文丹*

◆單位：光明牧業有限公司

流化床作為一種制粒、包衣、干燥的常規設備已廣泛應用于制劑工業。噴槍作為流化床的核心部件，其裝置是否得當，將決定噴槍霧化效果，從而直接影響流化床包衣和制粒的效果（黃堅彤等，2001；梅慶勝等，2012）。影響霧化的因素有很多，本文以二流體噴槍為例，就氣壓、液體流速和噴槍設置等進行分析討論，以期為流化床噴槍霧化參數調節提供理論依據和數據參考。

1 流化工藝

在一個設備中，將顆粒物料堆放在分布板上，當氣體由設備下部通入床層，隨氣流速度加大到某種程度，固體顆粒在床層上產生沸騰狀態，這種狀態稱流化態，此床層也稱“流化床”，按噴液方式分為：頂噴、底噴和側噴（于海春等，2006）。在生產應用中，尤其反芻動物飼料添加劑行業（比如制備過瘤胃產品時），底噴流化床應用最為廣泛。

底噴流化床，也叫流化床包衣，是借助急速上升的空氣流將小丸在包衣室內懸浮流化，使之處于不停的流動狀態，將包衣溶液或混懸液霧化噴入，即包裹在小丸表面，并被通入的空氣流干燥或冷卻，反復包衣直到所需厚度（田冰等，2010）。目前顆粒、微丸包衣多采用底部噴霧，與物料近距離接觸，可減少霧化液的損失，提高包衣效率。但噴槍安裝時噴槍頭風帽和噴嘴的相對高度差、進氣的壓力、壁材的流速等都會影響噴槍的霧化效果，從而影響包衣的質量。

2 霧滴產生的原理

霧滴的大小和均勻狀態是流化床底噴包衣時的關鍵，而噴槍則是實現壁材霧化的關鍵部件，以二流體噴槍為例，主要由流通氣體的外套和流通壁材（溶液）的內芯組成。在噴嘴處，高壓氣體利用其自身的高速氣流與壁材（溶液）相撞、摩擦，并將其破碎成小液滴，并以霧化的狀態噴出。高速高壓氣流產生的相對剪切力將溶液霧化，因為氣體密度小，需要高速氣體的體積很大才能產生足夠的能量將有一定黏度和張力的溶液霧化。理想的霧滴要求其在到達微丸表面后均勻散布，并形成一層厚度均勻的光滑連續的薄膜。

3 霧化的影響因素

在流化床包衣的過程中，影響壁材霧化效果的因素有很多，其關鍵的部件在于噴槍，其對液體的霧化效果起到了決定性作用。主要影響因素有以下3個方面：壁材的流速；氣體壓力；噴槍頭風帽和噴嘴高度差。

3.1 壁材流速

壁材的流速直接決定了壁材在單位時間內進入流化床的量，過少會霧化效果好，但同時會影響流化床的包衣效率；而流速過快會導致霧化不徹底，導致微丸表面接觸不均勻而包被厚度不均一，同時霧化不徹底，噴出的壁材會粘附多個微丸而凝集在一起，輕則導致流化床底網篩孔堵塞，重則直接導致包衣失敗。以水為例，如圖1 所示，圖中的分圖A、B、C、D、E 和F 分別代表在氣壓0MPa 時，壁材傳輸裝置蠕動泵轉速為0、5、10、20、30和40 rpm/min 時的壁材流出情況。由圖可知，隨著蠕動泵轉速加大，壁材噴出的距離和動力會越來越大。在給定空氣壓力時，壁材的霧化效果如圖2 所示，圖2 中的分圖A、B、C 和D 分別代表在空氣壓力為0.2 MPa，蠕動泵轉速為0、5、10 和20 rpm/min時的霧化情況。由圖可知，在蠕動泵轉速為5 和10 rpm/min 時（圖2B 和C），噴槍的霧化效果最好，而當轉速提高到20 rpm/min 時（圖2D），在噴槍的出口處，可以隱約見到連續的液體噴出，此時若遇流化床中的微丸，勢必會發生粘連，進而會導致結塊。此外蠕動泵轉速為20 rpm/min 和10 rpm/min 的霧化部分表觀差異不明顯。

圖1 壓力為0 MPa 時，蠕動泵不同轉速對壁材噴出的影響（A、B、C、D、E 和F分別表示蠕動泵轉速為0、5、10、20、30 和40 rpm/min 時，壁材的噴出狀態）

圖2 壓力為0.2 MPa 時，蠕動泵不同轉速對噴槍霧化效果的影響（A、B、C 和D 分別表示蠕動泵轉速為0、5、10 和20 rpm/min 時噴槍的霧化狀態）

3.2 氣體壓力

在流化床噴槍的霧化中，高速高壓空氣是壁材霧化的關鍵動力。在噴嘴處，高速高壓氣流產生的相對剪切力將溶液霧化，因為氣體密度小，需要高速氣體達到一定體積才能產生足夠的能量將有一定黏度和張力的溶液霧化。以水為例，如圖3 所示，圖中分圖A、B、C、D、E 和F 分別表示，蠕動泵轉速為5 rpm/min，氣 體 壓 力 為0、0.05、0.10、0.15、0.20 和0.25MPa 時的霧化情況，由圖3 可知，當氣體壓力小于0.05 MPa 時（圖3B），無法將水霧化，當氣體壓力超過0.05 達到0.1MPa 時，水才被霧化，但霧化扇面很小，相對狀態不佳。隨著氣體壓力的增大，霧化扇面逐漸增大，達到0.2MPa 時（圖3E），噴槍霧化水的狀態最好，進一步增大氣壓至0.25MPa 時（圖3F），霧化狀態表觀無差異。因此，建議在流化床包衣，打開蠕動泵以前將氣壓調制不低于0.2MPa 為宜。

圖3 流速5rpm/min，不同空氣壓對噴槍霧化效果的影響（A、B、C、D、E 和F 分別表示空氣壓力為0、0.05、0.10、0.15、0.20 和0.25MPa 時噴槍的霧化狀態）

3.3 噴槍頭風帽和噴嘴相對高度差

流化床中，噴槍的結構設計和設置，決定壁材霧化效果。在固件設計固定的情況下，其設置就成為制約壁材霧化的關鍵因素。設置主要是調節風帽和噴嘴的相對高度差（噴嘴頂端減去風帽頂端的距離）。以壁材水為例，如圖4 所示，圖中分圖A、B、C、D 和E 分別代表了在蠕動泵轉速為5rpm/min，空氣壓力為0.2MPa，噴槍風帽和噴嘴的相對高度差為+1.0、+0.5、0.0、-0.5 和-1.0mm 時的壁材霧化情況。由圖4 可知，隨著噴嘴的高度降低（即相對高差減小），霧化效果越來越好，霧化扇面越來越大，當相對高度為-1.0mm 時（即噴嘴低于風帽1.0mm），霧化效果最好。本文只研究了相對高度差在+1.0 至-1.0mm 之間，這是試驗所用的二流體噴槍能調節的最大范圍，對于其它噴槍的使用，僅作參考。

圖4 壓力為0.2MPa，蠕動泵轉速為5rpm/min 時，不同風帽和噴嘴高度差對噴槍霧化效果的影響（A、B、C、D 和E 分別表示風帽和噴嘴高度差為+1.0、+0.5、0.0、-0.5 和-1.0mm 時噴槍的霧化狀態）

4 結論

噴槍作為流化床包衣的核心固件，在設計技術一定的情況下，可以通過各項參數的調節來最大化壁材的霧化效果。在本研究分析中，蠕動泵轉速為5rpm/min、空氣壓力0.2MPa 和噴槍風帽與噴嘴的相對高度差為-1.0mm 時，流化床噴槍的霧化效果最好。生產工藝受多參數影響，任何一個參數的變化均會影響最后的結果，若要流化床的包衣效果達到最佳化，以上參數還應結合流化床的其它設置參數（空氣溫度、壁材種類、芯材粒徑和外觀形態等）共同調節方可實現。

參考文獻（略）