噴霧干燥機是一種可以同時完成干燥和造粒的裝備,主要由漿料供應系統、霧化器、干燥塔、熱風系統、廢氣排放和除塵系統、卸料及粉料輸送系統等組成。
噴霧干燥工作原理
噴霧干燥是利用霧化器將料液分散為細小的霧滴,并在熱干燥介質匯總迅速蒸發溶劑形成干粉的過程,一般噴霧干燥分為四個階段:a料液霧化;b霧群與熱干燥介質接觸混合;c霧滴的蒸發干燥;d干燥產品與干燥介質分離。
原料液可以是溶液、乳濁液或懸浮液,也可以是熔融液或膏狀物等泵可以運輸的液體形式,產品是粉狀、顆粒狀,空心球或團粒狀。
常見的噴霧干燥機
用噴霧干燥器將稀料液(如含水量在75%-85%以上的溶液)噴成霧滴分散于熱氣流中,使水分迅速蒸發而得到固體產品,干燥時間一般僅需數秒到數十秒。噴霧器是噴霧干燥的關鍵部分,主要離心式,壓力式及氣流式噴霧器。
噴霧干燥系統
①壓力噴霧干燥機
通過2-20MPa的高壓將液料(經過過濾的液料)送入壓力式霧化器霧化成小液滴,經過霧化后的液滴(表面積大大增加)與熱空氣充分接觸,在10-30秒內迅速完成干燥過程,經分離得到粉體或細小顆粒的成品。
②離心噴霧干燥機
空氣通過過濾器和加熱器,進入離心噴霧干燥器頂部的空氣分配器,熱空氣呈螺旋狀均勻進入干燥器。料液由料液槽經過濾器由泵送至干燥器頂部的離心霧化器,使料液噴成極小的霧狀液滴,料液和熱空氣并流接觸,水分迅速蒸發,在極短時間內干燥成成品,成品由干燥塔底部和旋風分離器排出,廢氣由風機排出。
③氣流噴霧干燥機
主要是將空氣或水蒸氣通過高速從噴嘴噴出,靠摩擦力使料液分離成細小霧滴,使其與熱空氣*接觸來形成熱交換,整個過程不到半分鐘。對粘性較大的物料效果很好,是其他噴霧干燥機*的,而且操作方便。
噴霧干燥應用領域
在噴霧干燥的100多年歷史中,初僅限于蛋粉,奶粉,洗滌劑,化妝品等少產品的生產,隨著研究的不斷深入,現已在多種工業超細粉體及納米粉體生產中廣泛應用,如化學工業里的電池原料,白炭黑;陶瓷工業里的氧化鋁;制藥領域的藥物干燥造粒等。相比于非噴霧干燥的方式,噴霧干燥可有效的減少超細粉的團聚,經噴霧干燥工序可制得球形度高,流動性好、細度高的顆粒以適應特定領域的要求。
下文將對一些相關領域做簡單的介紹:
①噴霧干燥用于特種陶瓷造粒
在陶瓷材料成型燒結之前素坯的成型對制品的性能有著直接影響,粉料的特性對素坯的均勻性及干壓成型后的密度影響很大。噴霧造粒技術被廣泛用于制備特種陶瓷粉料。通常采用壓力噴霧對特陶粉體進行噴霧造粒處理,在合適的工藝條件下,制備出來的粉體化學均勻性好、細度高、流動性好,壓實密度高,可適用于特陶粉體的干壓成型或等靜壓成型等成型工藝。
舉例:氧化鋁的噴霧造粒工藝流程:
氧化鋁陶瓷噴霧造粒制備工藝流程圖
②噴霧干燥在鋰電正極材料磷酸鐵鋰的應用
鋰電池主要由正極材料、負極材料、電解質、隔膜組成。正極材料在成本及性能上都制約鋰離子電池的發展,因而正極材料的研究與開發是推動鋰離子電池技術更新的關鍵。目前國內正極材料主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰及三元材料。其中磷酸鐵鋰具有安全性好,循環壽命長,熱穩定性好,原材料來源廣泛,價格便宜的優點,但振實密度低和低溫導電性差。
磷酸鐵鋰/C正極材料的簡單制備過程:取LiOH和FePO4加入球磨罐加入純凈水,球磨之后加入一定量的碳源,球墨3h后取出漿料打入噴霧干燥機中進行噴霧干燥。在一定的進出口溫度下(進200-250℃,出口溫度<100℃)進行噴霧干燥。物料干燥后放在氣氛爐先進行低溫煅燒2h,在高溫煅燒6h后得到LiFePO4/C正極材料。
實驗表明,噴霧干燥步驟,賦予了燒結前的前驅體材料很好的球形度,粒徑在20-20微米。在噴霧干燥條件下,材料的化學組分比較均勻。在煅燒時球形顆粒之間并沒有發生固相變化,LiFePO4/C的晶粒生產被限制在一個球形顆粒之間,因此可以得到小的LiFePO4/C晶粒,而細小的晶粒對LiFePO4/C的電性能有利。
③噴霧干燥用于白炭黑的干燥
沉淀二氧化硅又叫白炭黑,表達式多寫為mSiO2·nH2O,是橡膠工業重要的補強原料,因其微觀結構和聚集形態和炭黑相似,并在橡膠中有相近的補強性能,故稱為白炭黑。白炭黑的生產方法有氣相法及沉淀法,氣相法產品純度高,性能好,但生產過程能源消耗大,技術難度大,成本高。
相比之下沉淀法制備白炭黑,技術成熟,操作簡單,成本優勢大。但在干燥脫水過程中,超細顆粒易發生團聚,影響性能。研究表明,噴霧干燥能夠得到顆粒分散均勻、比表面積和吸油值都很高的白炭黑,符合推薦的吸油值和比表面積的配合曲線,適用高性能輪胎的補強劑及彩色輪胎的補強劑。
彩色輪胎&黑色輪胎
④噴霧干燥在藥物制劑中的應用
干燥在制藥生產中,特別是中藥制藥生產中具有重要地位。噴霧干燥制備的藥劑有如下幾個特點:
a.成品均勻度好:噴霧干燥時,藥液是在不斷的攪拌下噴成霧化分散體,瞬間完成干燥,因此均勻度較好。
b.成品流動性好、疏松性、溶解度較好:噴霧干燥時,水分迅速氣化,成品粒度小,流動性好,壓片平整;在分劑量包裝時,劑量更準確。與水接觸時,更易進去顆粒內部,更利于藥物溶解。
c、簡化生產工藝:噴霧干燥可使濃縮干燥一步完成,此外干燥時間也比較短,利于熱敏性藥物成品保持藥效。
d、生產潔凈:采用密閉的噴霧環境,杜絕藥物被細菌污染也減少粉塵污染車間。
因此噴霧干燥非常適合中藥制藥過程中的干燥。中藥制品要求潔凈度高,因此會裝有多個空氣凈化器。藥材噴霧干燥的簡單工藝流程:藥材→提取→濃縮→噴霧干燥→收集藥粉。