科研仪器定制——喷雾干燥及其基本过程

  喷雾干燥是在喷雾干燥室内，采用雾化器将原料液分散成极细雾滴后，与干燥介质（热风）接触干燥而获得固体产品的过程。原料液可以是溶液、悬浮液或乳浊液，也可以是熔融液或膏糊液。科研仪器定制根据干燥产品的要求，可以制成粉状、颗粒状、空心球或团粒状。所用的干燥介质大多是热空气。对于在空气中容易发生燃烧或爆炸的有机溶剂，应采用惰性气体（例如氦气、过热蒸汽）或烟道气作为干燥介质。

  喷雾干燥装置所处理的料液虽然差别很大，所得产品形状也不尽相同，但其工艺流程却基本相同。如图是一个典型的喷雾干燥装置工艺流程。原料液由料液储罐1经料液过滤器2由送料泵3输送到喷雾干燥器11顶部的雾化器5雾化为雾滴；干燥过程所需的新鲜空气由鼓风机8经空气过滤器7和空气加热器6加热到所需要的温度后，再经热风分布器4均布后进入喷雾干燥器11的顶部；经雾化器5雾化的雾滴和来自热风分布器4的热风在喷雾干燥室内相互接触混合，进行传热传质，即进行干燥；干燥的产品一部分由喷雾干燥器11的底部经卸料器排出，另一部分与废气一起进入旋风分离器10被分离下来；废气经引风机9排空。

  喷雾干燥过程分为三个基本过程阶段：料液雾化为雾滴；雾滴与热风接触、混合及流动即雾滴的干燥；干燥产品与废气分离。

  料液的雾化——料液雾化的目的是将料液分散为细微的雾滴，雾滴的平均直径一般为20～60μm，因此具有很大的表面积，当其与热风接触时，雾滴中的水分迅速蒸发而干燥成粉末或者颗粒状的产品。雾滴的大小和均匀程度对于产品质量和技术经济指标影响很大，特别是热敏性物料干燥尤为重要。如果喷出的雾滴大小很不均匀，就会出现大颗粒还未达到干燥要求，小颗粒却已经干燥过渡变质。因此，液料雾化器是喷雾干燥器的关键部件。

  雾滴与热风的接触及干燥——雾滴与热风的接触、混合及流动是在喷雾干燥器内同时进行的传热、传质过程。雾滴和热风的接触方式、混合与流动状态取决于热风分布器的结构形式、雾化器的安装位置及废气排出方式等。在喷雾干燥室内，雾滴与热风接触的方式有并流式、逆流式和混合流式三种。

  雾滴和热风的接触方式不同，贵喷雾干燥室内的温度分布、雾滴的运动轨迹、物料在干燥室内的停留时间以及产品的质量都有很大影响。对于并流式，最热的热风与湿含量大的雾滴接触，因而湿分迅速蒸发，雾滴表面温度接近入口热空气的湿球温度；同时热风温度也显著降低；因此从雾滴到干燥成品的整个历程中，物料的温度不高，这对于热敏性物料的干燥特别有利。由于湿分的迅速蒸发，雾滴膨胀甚至破裂；因此，并流式所得到的干燥产品常为非球形的多孔颗粒，具有较低的松密度。对于逆流式，喷雾干燥器顶部喷出的雾滴与喷雾干燥器底部上来的较湿热风相接触。因此，湿分蒸发速率较并流式为慢。干燥器底部最热的湿度低的热风与最干的颗粒相接触；所以对于能够承受高温、要求湿含量较低和松密度较高的非热敏性物料，采用逆流式最合适。此外，在逆流操作过程中，全过程的平均温度差和分压差较大，物料停留时间较长，有利于过程的传热传质，热能的利用率也较高。对于混合流式操作，实际上是并流和逆流二者的结合，其特性也介于二者之间。对于能耐高温的物料，采用这种操作方式最为合适。

  在喷雾干燥室内，物料的干燥与在常规干燥设备中所经历的历程完全相同，也经历着恒速干燥和降速干燥两个阶段。雾滴与热风接触时，热量由热风经过雾滴表面的饱和蒸汽膜传递给雾滴，使雾滴中湿分蒸发，只要雾滴内部的湿分扩散到表面的量足以补充表面的湿分损失，蒸发就可以恒速进行；这时，热风表面的温度相当于热风的湿球温度，这就是恒速干燥阶段。当雾滴内部湿分向表面的扩散不足以保持表面的润湿状态时，雾滴表面逐渐形成干壳，干壳随着时间的增加而增厚，湿分从液滴内部通过干壳向外扩散的速度也随之降低，亦即蒸发速率逐渐降低，这时物料表面湿度高于热风的湿球温度，这就是降速干燥阶段。

  干燥产品与废气分离——喷雾干燥产品与废气的分离有两种方式。一种是干燥的粉末或颗粒产品落到干燥室的椎体壁上并滑行到锥底，通过星形卸料阀之类的排料设备排出，少量细粉随废气进入气固分离设备收集下来。另一种是全部干燥成品随气流一起进入气固分离器设备分离收集下来。排放的废气必须符合环境保护的排放标准，以防止污染环境。喷雾干燥系统常用的气固分离有以下几种方式：只用旋风分离器；只用袋虑器；只用静电除尘器；旋风分离器与袋虑器组合；旋风分离器与湿式除尘器组合等。在具体实践中，科研仪器定制具体采用何种方式取决于工艺要求和环保要求。