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1、喷雾干燥技术的研究现状与展望摘要 对喷雾干燥的过程阶段及优缺点进行了分析, 综述了喷雾干燥技术的研究进展, 并对喷雾干燥技术的应用前景进行了分析 喷雾干燥过程的复杂性研究已经有很多成果, 喷雾干燥的低热效率给设备研究人员和企业界留下了较大的研发空间, 需要不断地去完善其流程和工艺, 以满足市场和产品本身的需要。从分析喷雾干燥的研究现状入手, 介绍喷雾干燥领域新的研究成果及设备与工艺的发展情况, 总结并提出了目前较新的研究课题和方向。关键词： 喷雾千燥；工艺流程； 研究现状；展望一、概述喷雾干燥技术已有一百多年的历史。自1865 年喷雾干燥最早用于蛋品处理以来, 这种由液态经雾化和干燥在极短时间
2、直接变为固体粉末的过程, 已经取得了长足的进步。它使许多有价值但不易保存的物料得以大大延长保质期, 使一些物料便于包装、使用和运输, 同时也简化了一些物料的加工工艺。由于喷雾干燥具有“瞬时干燥”、“干燥产品质量好”、“干燥过程简单”等特点, 明显优于其它干燥方式, 到20 世纪三四十年代, 该技术已经被广泛地应用于乳制品、洗涤剂、脱水食品以及化肥、染料、水泥的生产, 目前常见的速溶咖啡、奶粉、方便食品汤料等就是由喷雾干燥得到的产品。我国最早将喷雾干燥用于工业化规模生产的是乳品行业, 之后是洗涤剂和染料行业等, 目前应用已十分广泛, 遍及了以上所涉及的所有行业, 尤其在陶瓷和制药行业喷雾干燥的应
3、用更为普遍。喷雾干燥是将原料液用雾化器分散成雾滴, 并用热空气( 或其它气体) 与雾滴直接接触的方式而获得粉粒状产品的一种干燥过程。原料液可以是溶液、乳浊液或悬浮液, 也可以是熔融液或膏状物。干燥产品可以根据需要, 制成粉状、颗粒状、空心球状或团粒状。喷雾干燥技术的主要特点是: 1、干燥速度快, 时间短( 约为3 10 s) ,可以把初始状态为含固的液体通过特殊设计的雾化器雾化后再与干燥介质接触, 在短时间内完成蒸发干燥而获得干燥的产品，特别适合于热敏性物料的干燥； 2、能避免干燥过程中造成粉尘飞扬,可由液体直接得到干燥产品, 无需蒸发、结晶、固液机械分离等操作；3、 产品具有良好的分散性和溶
4、解性, 不经过粉碎也可以在溶剂中迅速溶解； 4、生产过程简单, 操作控制方便。但也有其不可忽视的缺点: 干燥器的体积大； 5、传热系数低, 导致热效率低( 约40%以下) , 动力消耗大； 6、操作弹性小,易发生沾壁现象。目前我国喷雾干燥技术的应用还存在诸如多问题, 突出表现在以下三个方面:1) 技术开发能力不强。我国从事干燥设备技术开发的企业较少, 设备加工精度也较低, 干燥塔内壁表面过于粗糙, 挂粉比较严重, 并且没有较好的振动装置, 使粉末在塔内停留时间较长。2) 自动化控制程度低。密闭循环系统的控制点包括进料浓度/速度、进风速度/温度、系统压力、各部件压差、气体纯度检测等等,由于设备控
5、制点较多地采用手动控制, 因此控制精度较低, 进而影响喷雾干燥技术的使用。3) 进风温度低。我国很多企业的规模普遍较小, 中小型锅炉的工作压力偏低, 干燥塔排风过滤系统存在缺陷, 再加上观念认识上的一些问题, 因而进风温度较低。由于以上不足, 致使喷雾干燥技术在食品、洗涤剂、肥料、合成树脂等各个工业领域的应用受到了限制。二、喷雾干燥技术的研究进展喷雾干燥可以归纳为下列4个组成部分：即料液的输送和雾化, 干燥介质的加热, 干燥介质和雾滴的接触干燥, 以及干燥产品从气体介质中的分离。因此,喷雾干燥的研究也从干燥介质、雾化、气液接触干燥、产品分离和产品的性质控制等方面展开。1 喷雾干燥系统1.1 新
6、型雾化器的研究喷雾干燥的核心部件是液体的雾化装置, 简称雾化器。常用的有离心式雾化器、压力式雾化器和气流式雾化器, 而气流式雾化器针对不同的料液特性又分为二流体雾化器和三流体雾化器。上述雾化器的研究已有很多, 在此不再赘述。中国在20 世纪引进吸收消化国外雾化器技术的基础上, 形成了具有自主知识产权的雾化器的设计能力, 现在国内不少厂家可以制造不同规格离心式雾化器, 单台雾化能力从每小时数kg 到10t, 特别要提的是: 无锡市林洲干燥机厂在2005 年推出了目前国内单台雾化能力最大的离心式雾化器, 单机每小时雾化能力达45t, 并已经在化工行业得到了运用和验证。1.2 喷雾干燥系统的设计喷雾
7、干燥设备是一种得到市场广泛使用的装置, 因此, 它的设计准则都是商业秘密, 通常很少见到研究报道。中国过去的设计很大程度上依靠从国外引进的设备中消化吸收相关的经验。1.3 喷雾干燥的数学模型由于喷雾干燥涉及复杂的气液两相间的传热传质过程, 在干燥塔内直接进行测量是极其困难的, 而大型工业化装置又无法直接制作一台供试验用, 因此目前喷雾干燥装置的设计大多依据小型装置的实验结果进行小试放大, 而且往往掺以设计人员的经验, 使得实际设计出来的喷雾干燥装置总有这样那样的问题。近年来, 随着计算机技术的不断提高和软件业的发展, 使得对于喷雾干燥进行数学模拟变得可能和可行, 在国际范围研究人员已经取得了不
8、少成果。2 节能一组合干燥随着全球的能源紧张, 高能耗的化工单元操作越来越受到各国的关注。喷雾干燥的热效率只有40 % 一60 % , 几乎有一半的热量被浪费了，所以如何提高喷雾干燥的热效率也是各国专家研究的热点课题。目前国际上公认的一种办法是组合式的干燥方式, 例如喷雾干燥+ 内部流化床的二级组合干燥, 以及喷雾干燥+ 内部流化床干燥+ 外部流化床干燥的三级组合干燥方式。3 新型派生的喷雾干燥3.1 喷雾冷冻干燥常规喷雾干燥采用有一定温度的干燥介质来完成整个蒸发干燥过程。但是, 考虑到干燥所处理的物料特性, 例如医药、生化产品等, 它们都有大量的生物活性成分, 无法承受高温介质环境, 为此,
9、 大多数产品会直接选择真空冷冻干燥。但冷冻干燥存在着能耗高、操作时间长、需要二次处理产品等不足。近年来, 国外研究人员开始把喷雾干燥和冷冻干燥结合起来, 从而形成了新的干燥技术, 即喷雾冷冻干燥技术。3.2 过热蒸汽喷雾干燥喷雾干燥通常采用环境空气作为干燥介质。但对于特殊的物料, 如含有乙醇、丙酮等有机溶剂的物料, 一般会选择闭式循环的喷雾干燥系统, 此时系统中一般直接采用氮气保护。当然, 能够直接选用环境空气是个不错的选择, 但是, 当很多喷雾干燥的用户有自备的电厂产生废过热蒸汽时, 如果仍然采用过热蒸汽换热产生热空气, 那将是一种对能源的浪费。过热蒸汽在食品、化工产品的加工中得到了运用。用
10、过热蒸汽干燥主要有如下的优势:a、 与传统的热空气或者烟道气相比, 改用过热蒸汽可以节能50 % 一80 % ；b、 用了过热蒸汽, 系统中没有氧气, 减少了可能存在的燃烧、爆炸危险。4 喷雾干燥法生产产品的性能控制近年来, 喷雾干燥装置的最终用户开始对他们的干燥产品提出越来越多的特殊要求, 特别是干燥颗粒的大小和形态。因此, 喷雾干燥工艺和设计如何满足用户的产品要求, 也引起了学者和企业界的浓厚兴趣。三、展望综上所述, 无论是学术界还是企业界, 对喷雾干燥的研究、开发和完善依然有很长的路要走。根据最近几年各国的研究动态, 我们可以看出以下几个方面值得考虑:(l) 企业界需要继续投人力量进行新
11、型雾化器的研究开发, 以适应市场对于干燥产品的特殊需求。(2) 喷雾干燥的设计除了依靠设计人员的本身经验外, 还需要进一步总结过去的设计经验和教训, 来完善喷雾干燥的设计理论, 提高设计的准确度。(3) 考虑到喷雾干燥的低热效率, 喷雾干燥的节能技术研究尚需要我们的研究人员继续努力。现在已经出现了喷雾干燥+ 流化床干燥的多级干燥模式, 似可以进一步考虑喷雾干燥+ 微波或者干燥塔内加热式的喷雾干燥等。(4) 新型喷雾干燥技术的研究和开发, 例如喷雾冷冻干燥、过热蒸汽喷雾干燥等, 这些新的干燥技术有待于理论上的提高和实验室的小试证明。(5) 利用迅速发展的计算机和软件技术, 提高喷雾干燥的数学模拟
12、结果的准确性。笔者认为, 这个研究方向可以解决目前很多实际上在设计初期通过实验还无法解决的问题, 还可以提供很多目前还无法直接监测到的数据和结果, 例如喷雾状态下的雾滴可能的飞行轨迹和气流分布、温度分布等。参考文献：1黄立新，周瑞君，A.s.Mujumdar 近年来喷雾干燥技术研究进展和展望J 干燥技术与设备，2008，6（1）:3-82蔡业彬，曾亚森，胡智华等 喷雾干燥技术研究现状及其在中药制药中的应 用J 化工装备技术，2006，27（2）：5-63耿熠，陶建生 喷雾干燥技术及其在中药制药中的应用J 中成药，2004， 26（1）：66-684提伟钢 牛奶喷雾干燥技术研究进展J 中国乳业，2010（11）:54-555姚淑娟，刘落宪 论喷雾干燥技术在中药生产中的优势J 中国中医药现 代远程教育，2010，8（15）:192-1936曾凡明，李刚 喷雾干燥技术在我国的应用J 药业纵横，2007，16（12）： 16-177刘涛 提高喷雾干燥技术的应用J 中国中医药咨讯，2010，2（7）：858王喜忠，于才渊，刘永霞 中国干燥设备现状及进展J 无机盐工业， 2003，35（2）：4-89黄立新，王宗濂，唐金鑫 我国喷雾干燥技术研究及进展J 化学工程， 2004，25（12）：51-58
