（环境工程专业论文）流化床喷雾造粒颗粒包覆过程的因素研究.pdf

流化床喷雾造粒颗粒包覆过程的因素研究 s t u d yo nf a c t o r si nf l u i d i z e d - b e ds p r a y g r a n u l a t i o nc o a t i n gp r o c e s s 领域： 研究生： 指导教师： 企业导师： 环境工程 蒋斌 朱能教授 柴本银研究员 天津大学环境科学与工程学院 2 0 0 8 年2 月 中文摘要 本文通过对流化床喷雾造粒涂布过程的理论分析，将涂布造粒过程分成三 个阶段：碰撞、铺展和干燥( 或冷凝) 固化。并以玻璃珠为原始晶种分别在流化床 喷雾造粒器中进行碳酸钾涂布造粒，考察了床层温度、料液流率、料液浓度和 流化气速对颗粒粒径和体积增长的影响，通过分析，结果表明，料液浓度越高， 流化气速越低则生长速率越快，而床层温度则呈现一定的非单调性。 论文还用尿素为晶种、聚乙烯醇水溶液为包覆液，实验研究了床层温度、 料液质量浓度、流化气速、雾化空气压力及气体分布板对包覆均匀度的影响。 结果表明：在本实验范围内，颗粒的包覆均匀度随雾化空气压力的增大而增大； 随床层温度、流化气速、料液质量浓度的增大，包覆均匀度先增后减，存在一 个最大值点；中心部位开孔率大于周边部位开孔率的非均匀开孔气体分布板明 显好于均匀开孔的气体分布板。在上述实验研究的基础上，通过对床层内料液 雾化、传热、传质及颗粒运动的分析，验证了包覆均匀度的关联式，其理论计 算值与实验值相符较好。 关键词：流化床，造粒：包衣，包覆均匀度，分布， a b s t r a c t t h em e c h a n i s mo fc o a t i n gp r o c e s si nf l u i d i z e d - b e ds p r a yg r a n u l a t i o nw a s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yf i r s t l y t h ec o a t i n g p r o c e s s c a nb ed i v i d e di n t ot h r e e s t a g e s c o l l i s i o n ，e x t e n s i o na n dd r y i n g t h e r ea r et w oc o n s e q u e n c e sa f t e rc o l l i s i o no f d r o p l e t sa n df l u i d i z e dp a r t i c l e s ，i e r e b o u n do rs t a y i n go nt h ep a r t i c l e s a sf o rt h o s e d r o p l e t sc a p a b l eo fs t a y i n go nt h ep a r t i c l e s ，t h e yw i l ln o tc o a to nt h ep a r t i c l e su n l e s s t h e ye x t e n d t h r o u g hf o r c ea n a l y s i s ，a ne q u a t i o no fw h e t h e r t h ed r o p l e t sw i l le x t e n d o rn o ti ss t u d i e d s u b s e q u e n t l y , t h ec o a t i n gp r o c e s so fp o t a s s i u mc a r b o n a t ew e r e s t u d i e di ns p r a yg r a n u l a t o r t h es t u d yi n d i c a t e st h a tt h e r ei sal o w e rc r i t i c a lo p e r a t i n g t e m p e r a t u r ei nf l u i d i z e d - b e d ，b e s i d e s ，t h eh i g h e rf l u i dc o n c e n t r a t i o na n dt h el o w e r f l u i d i z a t i o nv e l o c i t ya r e ，t h ef a s t e rt h ep a r t i c l e sg r o w , b u tt h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e s h o w sn o n - m o n o t o n o u sr e l a t i o n s h i pw i t hp a r t i c l e sg r o w t h i ti su s e f u lt h a tw es t u d yt h ep a r a m e t e r sa c to nc o a t i n ge q u a b l ee x t e n tw h i c hi sa v e r yi m p o r t a n tf a c t o re f f e c t i n g t h eg r a n u l e sq u a l i t y w i t hp o l y v i n y la l c o h o l ! a s f i l m f o r m i n gm a t e r i a l sa n du r e ap a r t i c l ea s s e e dp a r t i c l e s ，t h ei n f l u e n c eo nt h e c o a t i n ge q u a b l ee x t e n to ft h ef l u i d i z i n gg a sv e l o c i t y , b e dt e m p e r a t u r e ，n o z z l ea i r p r e s s u r e ，s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n dg a sd i s t r i b u t o rh a v eb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a ll y i nar e v e r s ec o n i c a lf l u i d i z e db e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o a t i n ge q u a b l ee x t e n t i n c r e a s e d 、w i t hi n c r e a s i n gt h en o z z l ea i rp r e s s u r e w i t hi n c r e a s i n gf l u i d i z i n g g a s v e l o c i t y , b e dt e m p e r a t u r ea n ds o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，t h ec o a t i n ge q u a b l ee x t e n t i n c r e a s e di nt h eb e g i n n i n gp h a s ea n ds t a r t e dt od e c r e a s ew h e ni tg o tam a x o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , t h i sp a p e rp r e s e n t e dam a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o na b o u tc o a t i n ge q u a b l ee x t e n tb ya n a l y z i n gt h et r a n s f e ro fm a s sa n dh e a t a n dt h em o v e m e n to fp a r t i c l e si nf l u i d i z e db e d i ti sa sf o l l o w s ： b yc a l c u l a t i n g e x p e r i m e n t a ld a t a ，t h er e s u l t ss h o w e dt h et h e o r e t i c a lv a l u ei sa p p r o x i m a t e l ya c c o r d w i t he x p e r i m e n t a lv a l u e k e yw o r d s ：f l u i d i z e db e d ；g r a n u l a t i o n ；c o a t i n g ；c o a t i n ge q u a b l ee x t e n t ； d i s t r i b u t i o n 独创性声眵： ：苯人声明所呈交的学位论文是本人在导师增导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另, t l ；h n 以标注知致谢之处夕 论文白不包含茸他人已经发表 i 乏：翼写逛的研究成果，也不包含为获得二圣奎盔鲎_ 或其他孥! 育村? 构的学t 三或证 = 言而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了黾目确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢稃武签锕胡：力口艿年月l 日 学位论文版权使斥j 授权书 ：苯学位论文作者完全了解苤盎盘茎一苇关保留、一使用学，旺兹：支的豆定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索著采用影印、缩印或扫描等复触手段保存、： 编以供查r 冤和借阅。冠薏学校 啊餮冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁耋。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说哆i ) 学位论文作者签名： 属试 导师答名： 签：手订期：芦留年月二日。 当：! ：i i 朗：j 西部年物月，g i ： 箜二重缝途 第一章绪论 造粒作为一个广义的概念，其目的是改变颗粒的尺寸，即：或使大块物料 变成小颗粒，或使小颗粒尺寸增大【。造粒的方法很多，如搅拌法、压力法、加 热法、喷雾分散法等【2 】，随着工业化生产对产品要求的提高，特别是肥料工业的 发展，发现原有的许多造粒方法普遍存在以下几个方面的问题，即粒度小、强 度低、极易在运输、贮存和施肥过程中部分粉化而丧失肥效1 3 】。大颗粒肥料( 粒 径为4 - 8 m m ) 由于粒度大，强度高而适于森林、草原飞播，超大尿素( 粒径为8 1 2 m m ) 可作为水稻的深层底肥。对粒度大，强度高的肥料的需求促进了造粒技 术的发展，于是相继产生了挤压造粒、转鼓造粒、盘式造粒和流化床造粒【4 】。，造 粒常与产品干燥前的预加工过程，或后处理过程，或与干燥同时进行。传统造 粒方法工序多，操作时间长，物料和能量损耗大，且操作条件差，环境污染严 重。而在目前诸多的造粒方法中，流化床造粒越来越引起人们的关注，它的突 出特点是集喷雾、成粒、混合、反应、干燥( 或冷凝) 等过程于一身，目前工业化 应用得到了普遍推广l ，j 。 流化床喷雾造粒( 包衣) 技术作为一种己大规模工业化的非传统型造粒技术， 现己广泛应用于医药、食品和化肥等工业中，同时其颗粒产品的包覆均匀度一 一料液在颗粒表面的包覆均匀性或颗粒群中包覆理想颗粒的数量问题，也越来 越引起人们的关注。因此，对于这一复杂的气一一液一一固多参数操作系统， 如何通过对相关操作参数及重要构件的实验研究来提高和改善造粒( 包衣) 颗粒 产品的包覆均匀度，在实际生产过程中具有重要的意义。而流化床喷雾造粒( 包 衣) 作为一种新型造粒技术，现已广泛应用于多种产品的制造过程，如肥料、药 品、工业化学品、食品( 尤其是速溶食品) 、陶瓷、核燃料【6 】、以及树脂工艺1 7 j 等。 近几十年来流化床喷雾造粒( 包衣) 技术发展尤为迅速。农业的高度发展需要 高质量的粒状肥料；一些质量不佳的原料需经磨碎后去除杂质，而后进行高品 位的细粉造粒；生产自动化程度的提高，要求给料具有很好的流动性；现代食 品向方便、速溶方向发展；回收粉尘更是环保对现代文明生产的要求；这些行 业的生产特点和市场要求极大地促进了其技术的发展。同时，人们对造粒( 包衣) 颗粒的质量也提出新的要求。因包覆均匀度是影响最终颗粒产品质量好坏的重 要因素，如颗粒的包覆均匀度将直接影响到药物的疗效、片剂的强度、崩解度 等方面：缓释肥料的包覆均匀度，将直接影响其肥效发挥；粉状食品的包覆均 匀度好坏，对食品的口感也有直接的影响作用，故流化床喷雾造粒( 包衣) 颗粒的 包覆均匀度近几年来越来越引起人们和社会的广泛关注【8 1 0 2 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 流化床喷雾造粒技术的发展 流化床的首次大规模工业化应用是在二十世纪初的德国，f r i t zw i n d i e r 9 】发 明了用于粉煤气化的流态化气化装置。在随后的若干年里，许多知名企业和科 研院所，如美国的埃索研究与工程公司( e s s or e s e a r c ha n de n g i n e e r i n g c o m p a n y ) 、麻省理工学院( m i t ) 、日本住友化学工业公司等单位都为流化床的 工业化做了有意义的探索和尝试。随着科学技术的进步，近十几年来，为了提 高造粒固体产品颗粒的质量，流化床喷雾造粒技术的研究在应用领域也有了飞 速的发展。尤其在日本，大型的流化床喷雾造粒装置已经成功地应用于化学肥 料和药品生产。其中，日本的t c t e c 法和荷兰的n s m 法流化床造粒的尿素生 产规模，分别达到4 7 0 吨每天和10 0 0 吨天【9 】。目前，国内引进较多的产品主 要有：德国g l a t 公司、瑞士a e r o m a t i c 公司、日本的大川株式会社等公司 的产品。其中，较为有特点的产品是大川株式会社开发的流化床袋式喷雾干燥 造粒机。它是世界上首次推出的能生产多品种、高品质产品的流化床喷雾乇燥 造粒机。其构造特点是整个流化床床体由非金属的特制尼龙布料组成，可以非 常简便的地清洗和更换。另外，还可以为每一种产品设计一个床体，以避免不 同产品间的交叉污染”0 1 。 流化床喷雾造粒技术在制药工业上的应用相对滞后。在化学工业中应用几 十年后，w u s t e r 才将流化床喷雾造粒技术应用于制药行业。其装置由中心管a ， 喷嘴b 、外室c 和气流分布板d 组成，如图2 1 所示。加热气流经气体分布板 d 送入包裹室内，囊芯微粒在管a 中被气流上项，并在喷嘴处被囊材料溶液喷 湿，潮湿的微粒在热气流中迅速干燥，循环进入c 室，然后又回到管a 内。这 样的包衣过程不断往复循环，直至颗粒生长成一定厚度膜层的微囊。w u r s t e r 流 化床改进了传统糖衣包衣法的不足之处，微囊粘连少，干燥快，大大提高了生 产效率【1 。 第二章文献综述 ( b 压 泐 图2 - 1w u r s t e r 包衣实验和生产装置 图2 - 2 连续操作式流化床喷雾造粒装置 根据生产规模和用途的不同，流化床喷雾造粒过程可分为间歇操作过程和 连续操作过程。前者没有晶种的连续进料和产品的连续出料，多用于产量少、 产品种类单一的医药工业；后者需要连续加入晶种和取出产品，以保持床层的 稳定，处理量大，多用于食品和化学工业等的大规模生产。图2 2 为一工业上 常用的典型连续操作式流化床喷雾造粒装置【4 】。 自八十年代起，我国也开始自主开发研制了一系列的流化床喷雾造粒机。 4 第二章文献综述 类似的机器有【1 2 】：重庆制药七厂的p l 5 0 型，其生产量为4 0 - 6 0 公斤批，并 带有一套自行设计的数控系统和用于多台造粒机生产的分布式控制系统：上海 远东机械厂开发的用于制药目的的流化床喷雾造粒机系列，并对机器操作的性 能参数进行了各种组合优化实验，得出了一些有意义的结果i i 引。 最近几十年来，人们不断地改进和发明新的喷嘴、分布板、内构件等流化 床造粒的部件，这些改进和发明极大地促进了流化床造粒技术的发展。 ( a )( b )( c ) ( d ) ( a ) 上喷结构( b ) 底部进液结构( c ) w u r s t e r 装置( d ) 旋转式侧壁喷雾结构 图2 3 间歇式流化床造粒的不同类型 图2 - 3 f 1 4 】简单描述了间歇式流化床的不同类型。从二十世纪五十年代开始， 人们使用上喷结构进行造粒，如图2 3 ( a ) ，这种方法的优点是容量大、易制作、 操作方便。缺点是造粒的效率低，涂布的颗粒形状大小和特性很难控制。随后 的六十年代，w u r s t e r 发明了从流化床底部进液的造粒装置，如图2 3 ( b ) ，这种 方法增大了颗粒和液滴间的碰撞，减少了扬析出来的粉尘，从而增大了造粒效 率。但是这种结构容易引起团聚结块，于是为了减少团聚的发生，w u r s t e r 又发 明了2 3 ( c ) 装置【1 5 】。同时，第四种装置旋转式侧壁喷雾结构也发展起来，如图 2 3 ( d ) ，这种装置的主要优点是能够满足造粒产品球形度较高的要求。但是其 主要的缺点是由于其转盘的剧烈搅动会造成颗粒的激烈碰撞，因此很难适用于 脆性比较大、易破碎的物料【l6 i 。 间歇造粒在造粒过程中没有晶种进料和产品出料，适用于生产量少和产品 种类多的医药工业。食品工业和肥料工业的发展要求生产的产量大，成本低， 以便提高市场竞争力。因此，已有的间歇式流化床造粒很难满足上述要求，于 第二章文献综述 是人们发明了连续式流化床造粒装置，连续地加入晶种和取出产品，保持床层 恒定，这种装置处理量大，多用于食品和化学工业等的大规模生产。这种装置 主要可以分为单床连续式造粒机和卧式连续式造粒机。工业上应用最广的是卧 式连续式造粒机，见图2 - 4 1 17 1 。 图2 - 4 卧式流化床( 连续式上喷结构) 目前，国内外正在尝试将一些先进的技术方法运用于流化床喷雾造粒过程。 例如超临界流化床包覆新工艺。这一技术是以溶有溶质的超临界流体代替传统 的包衣液体，通过喷嘴绝热膨胀，使溶质的溶解度在瞬间达到高度饱和而析出 固体微粒，以此形成具有核心的包覆粒子，其基本流程如图2 - 5 所示l 。由于 该方法不存在液滴，且在干燥状态下包覆，不会产生较大的团粒，因此造粒的 粒径可小至5 2 个微米。另一个具有创新意义的新工艺，是将磁场引进到流化床 喷雾造粒过程中去，利用磁场来调节磁敏性颗粒的运动。这一技术的应用，使 对具有磁敏性颗粒床层介质的流一固相操作，具有更宽的操作范围和适应性。 t i n g - j i ew a n g 和a t s u s h it s u t s u m i l l 9 】在实验中使用s c c 0 2 溶液作为超临界流体 来造粒，从实验所拍摄的照片中可以观察到，颗粒的成长非常均匀，整个造粒 涂布都是累积式的一层一层长大的。传统的造粒由于喷淋时间、干燥时间和其 他因素的影响，很难控制颗粒的大小，而高速超临界流体造粒能够避列2 0 j 。 6 第二章文献综述 r u 气掣 玉 3 l f 俩| 辜 【州j 图2 5r e s s 过程实验研究的基本流程 2 2 流化床造粒的类型 广义的流化床造粒主要可分为流化床喷雾造粒、喷动流化床造粒、振动流 化床造粒等几种造粒方法，最近几年，使用高速超临界流体( r e s s - r a p i d e x p a n s i o n o fs u p e r c r i t i c a ls o l u t i o n ) 2 1 1 进行流化床造粒的方法也有所发展。 2 2 1 流化床喷雾造粒 流化床喷雾造粒( f l u i d i z e d b e ds p r a yg r a n u l a t i o n ) 是将溶液、悬浮液、熔融 液或粘结液经压缩空气雾化后喷射到已干燥或部分干燥的颗粒流化床中，通过 团聚或涂布的方法使颗粒长大的一种造粒方法f 2 2 】。料液可以从流化床的上部、 侧面或底部喷入床内，雾化喷嘴多采用二流体或三流体喷嘴。流化床喷雾造粒 与传统的造粒方法相比，具有工艺简单、设备紧凑、生产强度大、能耗低等特 点。流化床喷雾造粒系统主要由风机、液泵、空气压缩机、旋风分离器、流化 床、喷嘴( - - 流体或三流体) 组成，图2 - 6 是一个典型的流化床喷雾造粒系统示意 图。 第二章文献综述 布嫒威摄法除象 图2 - 6 流化床喷雾造粒流程示意 图2 - 6 中【2 3 1 ，流化气体( 一般为空气) 经预热后，通至流化床底部，床中设有 适当的气体分布器，如多孔板或带有喷嘴的短管，以便流化气体沿横截面均匀 流过颗粒床层。分布器形成的气流应尽可能吹散聚集在床层底部的大颗粒或团 块。流化气的速度要大到能使大颗粒强烈运动，以防止结块现象发生。进料液 体大多数是由双流体喷嘴喷入流化床，要求喷嘴具有一定的操作弹性并不易堵 塞。液体进料可从床层物料顶部表面的上方或床层下方直接喷入床层。一般尽 量采用气体与固体颗粒逆流，以便使产品粒度分布更均匀。离开流化床的废气 经外部袋式过滤器或旋风分离器回收残余颗粒，大颗粒经破碎后与细粉再循环 进行回收造粒【2 4 j 。 2 2 2 喷动流化床造粒 喷动床造粒和流化床造粒相似，也是把可以泵送和雾化的料液喷成雾状， 然后落在床层中热的种子颗粒上干燥，一步直接生成固体颗粒，喷动床固体颗 粒的生成，不依靠床层的搅拌【2 5 1 。 喷动床造粒一般是将一股热气流射入粒化器的锥形底部，使床中物料循环 起来，很像水的喷泉。在床中心的稀相中颗粒被冲到床室的顶部，失掉动能， 从床顶部的外围落下，向下滚动至密相物料中，然后又在粒化室底部被气流冲 起来。喷成雾状的液体进料和热气流一起喷入喷动床底部，料液在循环的种子 颗粒上包层，周而复始。料液中的溶质由于干燥而沉积在种子颗粒上，图2 7 1 2 6 j 第二章文献综述 是喷动床造粒示意。喷动床一般仅适用于粒度较均一的大颗粒物料的操作，而 且喷动床的大型化设计还存在较大的困难。 粉末循环 废气去处理 图2 7 喷动床造粒流程示意 喷动流化床是在流化床中引入一股喷动气，它结合了普通流化床和喷动床 的特点。喷动流化床既适于处理大颗粒物料，又能提供像流化床样良好的气 固接触效果与混合，故可用作生产大颗粒产品的造粒器。喷动流化床造粒过程 中，单位床面积单位时间最大喷液量的确定是造粒器设计及实际操作中的重要 参数，它是造粒器最大生产能力的量度。而返料比则是连续造粒过程实现稳定 操作的必要条件。目前实际生产中返料比一般控制在0 5 - 2 范围内。康仕芳和 张磊1 2 ”在喷动流化床中进行尿素造粒并建立了喷动流化床喷动的理论模型 2 8 1 。 2 2 3 振动流化床造粒 振动造粒可以在回转圆筒，回转圆盘或者振动流化床中实现。当气体被用 作热量和物质传递载体在流化床中应用时，该设备称为气体振动流化床( a v f b ) 。 气体振动流化床造粒是在传统的气体喷雾造粒基础上发展起来的一种造粒形 式。在气体振动流化床中进行造粒过程的优点在于造粒的强度高和速度快，+ 造 粒产品质量得到改善，使难以流化的细小粉末易于造粒，从消耗能量和物质观 点来看经济性高【2 引。 气体振动流化床造粒机可分为下面几大类：根据结构不同可划分为立式 ( 螺旋、振动冲击) 和卧式( 管形、长方形、隧道式) ；单室造粒机和多室造粒机。 根据振动能量传递方式可划分为造粒机整体振动和分布板振动。根据振动 9 第二章文献综述 机原理可划分为偏心力产生振动、惯性力振动、电磁振动等。目前，振动流化 床在干燥行业中应用较广，尤其是最近开发的多层振动流化床和复合式直线振 动流化床应用更为广泛 3 0 , 3 1 ，但用于造粒过程还不是很多。 2 3 流化床喷雾造粒的理论研究 2 3 1 流化床喷雾造粒的基础理论 流化床喷雾造粒的理论基础是气一一固两相流体动力学特性和液体的喷 雾、蒸发、结晶或是化学反应动力学的综合过程1 3 2 。 虽然流化床的工业应用比较早，但对其基础理论的研究却相对滞后。从上 个世纪的三、四十年代起，l a p p l e ，b a y a e r t ，l e w i s ，w a d e l i 【3 3 j 等人就开始对固 体颗粒在流体中的运动和沉降进行了研究。但由于流态化涉及两相甚至三相流 体的混合流动，过程极为复杂，使得对当时所建立的模型难以进行求解。 直至上世纪的六十年代后期，随着计算机技术的日益普及，计算流体力学 的日益完善，图像采集和处理手段的不断发展，这一领域的研究工作才有了突 破性的进展。s lv o n 颗粒在流化介质中运动轨迹进行了描述1 3 4 | 。l e v a 3 5 总结 了流化介质与固体颗粒物性之间的关系。卡尔基茨、摩贺列夫等人对颗粒物料 床与换热元件之间的给热过程，做了深入广泛的研究：对于单个球形颗粒的对 流传热系数n u ，r a n z 和m a r s h a l l 在深入实验研究的基础上，提出较为准确的 公式【3 6 】： 舰= 2 ( 1 + 0 3 p r r e 0 5 ) ( 2 - 1 ) 近年来，s a t o r uw a t a n o 和t o r uf u k u s h i m a 等人在对流化气体与颗粒之间的 传热进行进一步分析的基础上，得出了更为精确的计算公式3 7 】： 删p = 2 + 0 6 r e ： ；2 p r l 3 ( 2 2 ) h b r a d l e y 3 8 , 3 9 等研究了流化床造粒过程中床层内的固体流动及混合情形， 并提出了一固体流动、混合模型。赵艳春等人对连续流化床造粒过程的传热、 传质进行了分析，并认为：流化床在喷雾造粒( 包衣) 过程中，其床体可分为四个 部分：剧烈传热段、平衡段、喷雾段和进料加热段，并得到了各床层段温度的 近似计算式。 l o 第二章文献综述 2 3 2 流化床喷雾造粒的生长机理 2 3 2 1 粘结机理 造粒过程中颗粒的生长及其硬化取决于存在于固体颗粒间的粘附力和粘结 力。根据r e b i n d e 4 0 】：的论述。使分散系统粘结的机理取决于两个基本因素： 分散系统颗粒在连接点的分子键作用力( 在极限的情况下连续相接触是可能的) ； 颗粒的接触表面有一层很薄的液体薄膜，薄膜( 厚度为h ) 覆盖的两个分散颗粒 不需要做功而只须自由能就可以互相靠近，直到达到l = 2 h 为止。 根据颗粒间相互作用的性质和产生这些相互作用的过程步骤的独立性， r u m p f l 4 l 】等人提出了粘结机理较为基本的分类方法，文献上己广泛采用了这种 粘结机理分类法，见表2 1 。 表2 1r u m p f 粘结机理分类 类别机理典型实例 烧结、热硬化铁矿石团粒的硬结 1 固桥连接 化学反应、硬化、粘结剂、“硬混合肥料的氨化( 造粒) 化处理， 金属、塑料压型 因加压摩擦而产生初熔肥料造粒过程中、盐类的结品 通过干燥而沉积 粘性粘结剂药片制造过程中糖类 2 低粘度液体 吸附层骨胶胶类粘结剂 细粉流动过程中的增湿作用 液体桥连( 摆动态) 铁矿石烧结混合物的增湿混合矿 3 低粘度液体 液体以悬索状或毛细管状充满或 石团球( 湿法造球) 部分充满颗粒问的空隙中陶瓷粉末的软塑料成型 范德华作用力流动和处理过程中的细粉末的粘附 4 分子间力与 静电作用力细粉末的白干燥化( 碳黑，氧化锌) 长程力 磁性力 5 机械联锁力与形状有关的粘结在压力作用卜，颗粒的断裂和变形 2 3 2 2 颗粒间液桥分析 c e c a p e s l ，n e w i t t 和c o n w a y j o n e s l 4 2 , 4 3 等根据液体含量的多少，又把液 桥分成四种状态：( a ) 桥摆态；( b ) 悬索态；( c ) 毛细管态j p ) 颗粒在液滴中。图 2 8 描绘了团粒中低粘度液体的各种存在方式。 m a z z o n “1 等人研究了两个有相对运动的颗粒间的液桥的强度及断裂点。研 第二章文献综述 究发现，动态液桥要比只由于表面张力引起的静态液桥的强度高。m e h r o t r a 和 s a s t r y 4 5 , 4 6 ；e ：) ：究了不同粒径颗粒间的液桥力，推导出了规范化总粘结力的计算 式。同时指出，规范化毛细管力随液桥体积和接触角的增大而减小：规范化表 面张力随液桥体积的增大而增大，直到最大值。总粘结力则随液桥体积和接触 角的增大而减小，另外，粒径相差越大，粘结力越大。 露毋 ( a ) ( b ) 蹲 ( c ) ，。( d ) ( a ) 桥摆态( b ) 悬索态( c ) 毛细管态( d ) 颗粒在液滴中 图2 8 液桥的四种状态示意图 r u m p f 4 7 4 8 1 用相同尺寸球形细粒组成的团粒用统计分析法得到团粒抗拉强 度近似估计式。 桥脓弘2 8 半志 陋3 ) 毛细管态： 万= 8 o ! 二兰一一鱼q 一( 2 - 4 ) g a f ( 万o ) 由以上两式可知，桥摆态结合力约是毛细管态的1 ；，以悬索态结合强度介于 两者之间。减少颗粒的粒度和空隙率可产生较大结合强度，故良好的粒度分布 与较小的空隙度将改善团粒强度。事实上无论何种粘结机理，从理论上尚无法 1 2 第二章文献综述 正确计算。因为理论模型中许多参数如接触函数、配位数等均难以准确测定。 流化床造粒中颗粒的成长有两种机理。一是通过喷淋液在母粒周围反复涂 布( c o a t i n g ) 1 4 9 , 5 0 ，以晶核为中心，干燥后使颗粒增大，最终颗粒是以原始颗粒为 基本粒子，形状与原始粒子相近，常称之为“洋葱皮 结构【5 。在涂层过程中， 溶剂从被浸湿的颗粒表面蒸发，溶质则固化在表面上。按此机理成粒，生长速 度较慢，但成长稳定均一，溶解速率慢，但机械性能好。另一种机理是由两个 或两个以上的粒子通过粘合剂形成的“液桥”团聚( a g g l o m e r a t i o n ) 在一起形成一 个大粒子。被粘合剂浸润的粒子与其周围粒子发生碰撞，粘附在一起，“液桥” 中的溶剂蒸发后，颗粒间通过“固桥连在一起形成大颗粒。按此机理成粒， 生长速度快，比表面积大，溶解性好，但粒度不均匀，形状不规则，机械特性 差。两种生长过程示意见图2 - 9 。虽然d u n l o p 早在二十世纪五十年代在流化床 炼焦炉重油渣焦化过程中，发现了颗粒生长存在团聚生长和分层生长两种机理。 但是人们对造粒机理的理论和实验研究并不充分。 嚷涂液 ： 流化颗j 宦 o 涂覆 图2 - 9 流化床造粒中的团聚和表面涂层过程示意四 b s l e e l 5 2 , s 3 在1 9 6 2 年发表的文章中，首先总结了颗粒成长的动力学，并指 出层式生长是颗粒长大的主要机理，并给出了计算生长速率的关系式。p g s m i t h 和a w n i e n o w 等人随后在实验的基础上，对这两种生长机理进行了深 入的研究，并提出在颗粒的成长过程中，存在着两种作用相反的竞争机制：粘 合机制和破裂机制。颗粒的成长主要取决于这两种机制的平衡结果，并推导出 了颗粒包衣和团聚长大的应用公式。r a n k e l l 等人研究了硝酸和尿素的间歇造 粒过程，发现颗粒是由分层成长控制，团聚的基本是小颗粒。并假定床层中颗 粒随时间的变化率是常数q ，得到了颗粒生长的速率表达式： 一d ( d p ) ：一d p d w r 一生 ( 2 5 ) 一= 一 l - 1j d ，3 d ， n 1 3 曝雌 第二章文献综述 通过实验测定间歇实验的d p ，w t 和n ，即可计算出颗粒的生长速率。m o r t o n w s c o r ，d e m e t h e n y ，s w v a n c e 及m w s c o t t l 5 4 , 5 5 等人则先后对流化床的 结构部件，如喷嘴的型式和位置，对颗粒生长的影响做了实验研究分析；并根 据物料平衡和热量平衡，导出连续制粒物料平衡方程和热交换平衡方程。t o r b e n 以乳糖和非结晶乳糖为晶种，以p v p ，m c 和c m c 溶液为粘合剂，究了流化 床造粒的控制问题，并讨论了喷嘴高度、雾化角、料液加入量、液滴尺寸等操 作条件对颗粒生长速率及产品粒度分布的影响。d a v i e s 、k a s p a r 和j o n e 5 6 , 5 刁等 人将间歇流化床操作应用于片剂生产，取得了较大的成功。j o n 还研究了工艺参 数对片剂产品物性的影响。南海军等人对氯化钠和硅酸钠的造粒过程进行了实 验研究，并分别对流化气速、床层温度和雾化压力等因素对颗粒生长速率的影 响进行研究。徐言科对苯甲酸和梭甲基纤维素( c m c - n a ) 进行了研究，并建立了 最大喷液量模型。k o e nd e w e t t i n c k l 5 8 , 5 9 以乳搪为晶种，以蛋白质为料液，研究 了液滴大小、进风温度等因素对造粒的影响。 z o r m o s 等人对流化床造粒过程进行了全面系统的研究。以明胶溶液为粘 合剂，以玻璃球、砂粒、聚乙烯粉末和硝酸钠为晶种，详细研究了晶种物性、 晶种粒度分布、粘合剂的浓度和流量及床层湿度等多种操作参数对颗粒生长速 率及造粒产品物性的影响。 齐涛对流化床喷雾造粒制取低糖速溶豆粉和尿素的过程进行了深入的研 究，并提出了改进豆粉速溶性的几点建议。李铁钮在自行设计的流化床中，以 医药工业中最为常见的玉米淀粉为对象，全面研究了粘结剂流率、粘结剂的浓 度、喷嘴雾化压力及床层温度对造粒过程的影响。并进行了单因素实验分析和 多因素正交实验分析，得到各因素对造粒影响的显著性线性回归方程 6 0 , 6 1j 。 2 3 3 流化床喷雾造粒模型 在实际工业生产中，由于流化床设备设计的需要，国内外学者开始对流化 床喷雾造粒模型进行研究。但由于流化床喷雾造粒过程涉及颗粒的运动、颗粒 的生长、晶种的产生、晶种的补充( 连续操作过程) 、细颗粒的扬析和热量、动量、 质量的传递等诸多过程，因此大多数造粒模型只是针对某一种物料或某一操作 条件，并且是在众多假设的条件下提出来的，其本身存在着很大的局限性1 6 2 1 。 r a n k e l l 第一次提出了造粒产品颗粒的质量平均直径可以用对数正态分布函 数来表示。s m i t h 对颗粒生长机理进行了深入的理论和实验研究，并提出了粒 分层生长和团聚生长模型。 1 4 第二章文献综述 艉帐。丁d ( d p ) 2 巧一m b 协6 ， p sd p od ；dd ；o 长：丁d ( d e ) _ 6 砑m o p b ( 2 - 7 ) u e m a k i 6 3 , 6 4 1 研究了涂层生长的模型，模型基于质量和粒数平衡关系，并综 合考虑了由于折断引起的新晶种的形成和磨擦引起的床层内颗粒的破碎。 c a p e s ，k a p a r 和o u c h i y a m a 等人对团聚模型也进行了研究：m a n n 和k o m o 等 人对涂层生长机理进行了研究。h o g g 运用粒数衡算得到了颗粒团聚模型，并认 为粒数衡算模型的研究工作还需要在团聚常数、颗粒性质、过程变量间的关系 和颗粒结构及其在团聚过程中的影响等方面作进一步的研究。吴洪等对氢氧化 铝造粒过程中的影响因素进行了研究，并提出一层式生长模型。 ( 旱) 3 ：1 + 丛丝 (28)d om i p b 、。”7 k e r s t e n 6 5 , 6 6 1 等以铝球为晶种，以乳糖悬浮液为料液，研究了单颗粒的生长 机理，详细讨论了床层温度、湿度、液滴动量、表面活性剂等因素对生长速率 的影响。r o l f 等研究了床层干燥区颗粒生长的特点和机理，并认为喷液率、流 化介质温度、床高是影响干燥区的首要因剥6 7 1 。s t e v e f fa ：c r y e ：等人在前人研 究的基础上，颗粒离散化理论为基础，提出一个新的颗粒聚合影响函数6 8 1 。 8 = p 娶。f 婶，t ) d c k ( 2 9 ) p o n t 等人在以c m c 为粘合剂的造粒过程中，详细研究了料液粘度、表面张 力、一颗粒间的接触角、表面活性剂等物理化学条件对颗粒生长的影响，并提出 高粘度、高接触角有助于“团聚”现象的发生。 h b 妇d l e ye l d r e d g e 通过对流 化床中固体流动和混合的研究，在大量实验的基础上 ，f _ 提出一最终粒径的估算 i 经验式： d i n a 叫一+ 等) 1 3 ( 2 1 0 ) 第二章文献综述 k o e nd e w e t t i n c ka n da n d r eh u y g h e b a e n 1 9 2 0 1 在一顶喷式流化床中，研究了各 操作参数对流化床喷雾造粒过程中包覆效率的影响，提出一包覆效率表达式： 巨2 瓦w 面o ( 2 1 1 ) 周涛和李洪钟在对流化床中粘性颗粒的研究中，通过进行受力平衡分析得 出了流体力学力或曳力、碰撞力、重力、粘性力的关系表达式，并通过分析计 算得出两个团聚碰撞的二次方程。王可把排队论理论运用到造粒过程中，通过 分析，得到包覆效率的一般表达式： 矿：( 1 一口) ( 1 一生) ( 2 1 2 ) b s l e e1 6 9 1 等人( 19 6 2 ) 提出了定态下粒度分布方程；r a n k e l1 【7 0 】( 19 6 4 ) 认为造 粒产品颗粒的质量平均直径可以用对数正态分布函数表示，并由磨粉过程导出 结果。这一结论对以后流化造粒技术的理论研究很有指导意义。 t e r a m a b h a d r a n 7 1 】( 1 9 7 5 ) 利用粒数衡算和相似变换导出了破碎一涂层机 理下的累积粒度分布函数。o u e m a k i 等【7 2 1 ( 1 9 7 6 ) 基于质量和粒数平衡，并考虑 了由于折断引起的新晶种的形成和摩擦造成的床层内的颗粒的破碎情况，导出 了涂层生长的模型表达式如下： - n = 等一糖+ 制 ( 2 1 4 ) d vs m u r t h y 和m s a n a n t h 【7 3 1 ( 1 9 8 2 ) 提出了单一参数模型，将算术密度 函数描述为简化的粒度函数。研究表明，该模型参数和经验球形度指数成单调 函数关系。 p g s m i t h 和a w n i e n o w l 7 4 , 7 5 ( 1 9 8 3 ) 以玻璃珠和氢氧化铝为原料，使用粘合 剂进行了间歇流化床造粒实验，分别建立了层式成长的模型。 t n = 等一糖+ 别 1 6 ( 2 1 5 ) 第二章文献综述 a b i n 和j w a r y c h 等【7 6 】( 19 8 5 ) 人提出的层式成长模型为： 吾- ( 惫m 劳轰 _ ( 志m 钥 协 其中：口= 亦形，并且可以假定为一个常数。实验中使用硝酸钾和尿素为 ， 涂布液体，二者所得的成长速率和计算值基本一致。 b w a l d i e 和d w i l k i n s o n 等人【6 0 】( 1 9 8 7 ) 通过把粒度范围分为若干粒径带，发 展了预测流化床造粒产品粒度的模型，这一模型的提出为建立多粒径分布的离 散化造粒模型提供了参考。 a n d r z e jh e i m 和w o j c i e c ha n t k o w i a k l 6 q ( 19 8 8 ) 基于粉体造粒的质量平衡原理 推导出了造粒动力学方程，这个模型综合考虑了导致颗粒长大的机理( 即团聚和 涂布) 和导致颗粒粒度损失的因素( 即挤压和磨损) ，这一动力学方程接近于真实 的造粒过程。 b j e n n i s 和j d l i t s t e r 6 2 1 ( 1 9 9 7 ) 山一维粒数平衡方法，并由质量守恒定律推 导出如下的造粒过程的模型： 掣= 可o m 味炉争一塑业掣 + b 。( 比，f ) + b 。，( “，t ) 一d 。，( “，f ) ( 2 1 7 ) 其中， 色。( “，f ) 和d c 。t ( u ，f ) 由下面两式给出： 屯胁) = 赤。肌“叱小m 叫u - v , t ) 咖 8 ) 。删( 州) = 志。觑“，州) ，以( “，小，z ( v 咖 ( 2 _ 1 9 ) 该模型显著的特点是综合地考虑了流化床喷雾造粒过程中同时存在的团聚 和涂布过程，是流化床喷雾造粒过程适应较广的模型，但该模型的凡最。( “，f ) 和 d 。，( “，t ) 的值不易求算，因此在实际应用中最。( “，f ) 和。d c o a l ( u ，t ) 的值确定是 使用该模型的关键。 吴洪和赵君【1 1 ( 1 9 9 8 ) 使用玻璃珠为晶种研究了造粒层式成长的理想模型。周 涛和李洪钟【6 3 1 ( 1 9 9 9 ) 在对流化床中粘性颗粒的研究中通过进行力平衡分析得出 了流体动力学力或曳力、碰撞力、( 重力一一浮力) 、粘性力的关系表达式，并通 过分析计算得出了两个聚团碰撞的二次方程，此二次方程有解析解或无解。这 一模型只考察了两个聚团碰撞的过程，与真实的聚团碰撞过程还有较大的偏差， 因此在实际应用中存在较大的困难。 s t e f a nh e i n r i c h 和l m o r l l 6 4 ( 1 9 9 9 ) 推导出了流化床中润湿，温度分布和浓度 分布模型。该模型的建立方便了流化床中的湿度、温度和浓度分布情况的预测， 进而为进一步了解流化床喷雾造粒过程中的机理作了有益的探索。 ： s i m o nm i v e s o n 6