流化床喷枪参数设置对包被过程中雾化效果的影响

◆作者：叶耿坪 张晶晶 朱志宏 施雯文 王文丹*

◆单位：光明牧业有限公司

流化床作为一种制粒、包衣、干燥的常规设备已广泛应用于制剂工业。喷枪作为流化床的核心部件，其装置是否得当，将决定喷枪雾化效果，从而直接影响流化床包衣和制粒的效果（黄坚彤等，2001；梅庆胜等，2012）。影响雾化的因素有很多，本文以二流体喷枪为例，就气压、液体流速和喷枪设置等进行分析讨论，以期为流化床喷枪雾化参数调节提供理论依据和数据参考。

1 流化工艺

在一个设备中，将颗粒物料堆放在分布板上，当气体由设备下部通入床层，随气流速度加大到某种程度，固体颗粒在床层上产生沸腾状态，这种状态称流化态，此床层也称“流化床”，按喷液方式分为：顶喷、底喷和侧喷（于海春等，2006）。在生产应用中，尤其反刍动物饲料添加剂行业（比如制备过瘤胃产品时），底喷流化床应用最为广泛。

底喷流化床，也叫流化床包衣，是借助急速上升的空气流将小丸在包衣室内悬浮流化，使之处于不停的流动状态，将包衣溶液或混悬液雾化喷入，即包裹在小丸表面，并被通入的空气流干燥或冷却，反复包衣直到所需厚度（田冰等，2010）。目前颗粒、微丸包衣多采用底部喷雾，与物料近距离接触，可减少雾化液的损失，提高包衣效率。但喷枪安装时喷枪头风帽和喷嘴的相对高度差、进气的压力、壁材的流速等都会影响喷枪的雾化效果，从而影响包衣的质量。

2 雾滴产生的原理

雾滴的大小和均匀状态是流化床底喷包衣时的关键，而喷枪则是实现壁材雾化的关键部件，以二流体喷枪为例，主要由流通气体的外套和流通壁材（溶液）的内芯组成。在喷嘴处，高压气体利用其自身的高速气流与壁材（溶液）相撞、摩擦，并将其破碎成小液滴，并以雾化的状态喷出。高速高压气流产生的相对剪切力将溶液雾化，因为气体密度小，需要高速气体的体积很大才能产生足够的能量将有一定黏度和张力的溶液雾化。理想的雾滴要求其在到达微丸表面后均匀散布，并形成一层厚度均匀的光滑连续的薄膜。

3 雾化的影响因素

在流化床包衣的过程中，影响壁材雾化效果的因素有很多，其关键的部件在于喷枪，其对液体的雾化效果起到了决定性作用。主要影响因素有以下3个方面：壁材的流速；气体压力；喷枪头风帽和喷嘴高度差。

3.1 壁材流速

壁材的流速直接决定了壁材在单位时间内进入流化床的量，过少会雾化效果好，但同时会影响流化床的包衣效率；而流速过快会导致雾化不彻底，导致微丸表面接触不均匀而包被厚度不均一，同时雾化不彻底，喷出的壁材会粘附多个微丸而凝集在一起，轻则导致流化床底网筛孔堵塞，重则直接导致包衣失败。以水为例，如图1 所示，图中的分图A、B、C、D、E 和F 分别代表在气压0MPa 时，壁材传输装置蠕动泵转速为0、5、10、20、30和40 rpm/min 时的壁材流出情况。由图可知，随着蠕动泵转速加大，壁材喷出的距离和动力会越来越大。在给定空气压力时，壁材的雾化效果如图2 所示，图2 中的分图A、B、C 和D 分别代表在空气压力为0.2 MPa，蠕动泵转速为0、5、10 和20 rpm/min时的雾化情况。由图可知，在蠕动泵转速为5 和10 rpm/min 时（图2B 和C），喷枪的雾化效果最好，而当转速提高到20 rpm/min 时（图2D），在喷枪的出口处，可以隐约见到连续的液体喷出，此时若遇流化床中的微丸，势必会发生粘连，进而会导致结块。此外蠕动泵转速为20 rpm/min 和10 rpm/min 的雾化部分表观差异不明显。

图1 压力为0 MPa 时，蠕动泵不同转速对壁材喷出的影响（A、B、C、D、E 和F分别表示蠕动泵转速为0、5、10、20、30 和40 rpm/min 时，壁材的喷出状态）

图2 压力为0.2 MPa 时，蠕动泵不同转速对喷枪雾化效果的影响（A、B、C 和D 分别表示蠕动泵转速为0、5、10 和20 rpm/min 时喷枪的雾化状态）

3.2 气体压力

在流化床喷枪的雾化中，高速高压空气是壁材雾化的关键动力。在喷嘴处，高速高压气流产生的相对剪切力将溶液雾化，因为气体密度小，需要高速气体达到一定体积才能产生足够的能量将有一定黏度和张力的溶液雾化。以水为例，如图3 所示，图中分图A、B、C、D、E 和F 分别表示，蠕动泵转速为5 rpm/min，气 体 压 力 为0、0.05、0.10、0.15、0.20 和0.25MPa 时的雾化情况，由图3 可知，当气体压力小于0.05 MPa 时（图3B），无法将水雾化，当气体压力超过0.05 达到0.1MPa 时，水才被雾化，但雾化扇面很小，相对状态不佳。随着气体压力的增大，雾化扇面逐渐增大，达到0.2MPa 时（图3E），喷枪雾化水的状态最好，进一步增大气压至0.25MPa 时（图3F），雾化状态表观无差异。因此，建议在流化床包衣，打开蠕动泵以前将气压调制不低于0.2MPa 为宜。

图3 流速5rpm/min，不同空气压对喷枪雾化效果的影响（A、B、C、D、E 和F 分别表示空气压力为0、0.05、0.10、0.15、0.20 和0.25MPa 时喷枪的雾化状态）

3.3 喷枪头风帽和喷嘴相对高度差

流化床中，喷枪的结构设计和设置，决定壁材雾化效果。在固件设计固定的情况下，其设置就成为制约壁材雾化的关键因素。设置主要是调节风帽和喷嘴的相对高度差（喷嘴顶端减去风帽顶端的距离）。以壁材水为例，如图4 所示，图中分图A、B、C、D 和E 分别代表了在蠕动泵转速为5rpm/min，空气压力为0.2MPa，喷枪风帽和喷嘴的相对高度差为+1.0、+0.5、0.0、-0.5 和-1.0mm 时的壁材雾化情况。由图4 可知，随着喷嘴的高度降低（即相对高差减小），雾化效果越来越好，雾化扇面越来越大，当相对高度为-1.0mm 时（即喷嘴低于风帽1.0mm），雾化效果最好。本文只研究了相对高度差在+1.0 至-1.0mm 之间，这是试验所用的二流体喷枪能调节的最大范围，对于其它喷枪的使用，仅作参考。

图4 压力为0.2MPa，蠕动泵转速为5rpm/min 时，不同风帽和喷嘴高度差对喷枪雾化效果的影响（A、B、C、D 和E 分别表示风帽和喷嘴高度差为+1.0、+0.5、0.0、-0.5 和-1.0mm 时喷枪的雾化状态）

4 结论

喷枪作为流化床包衣的核心固件，在设计技术一定的情况下，可以通过各项参数的调节来最大化壁材的雾化效果。在本研究分析中，蠕动泵转速为5rpm/min、空气压力0.2MPa 和喷枪风帽与喷嘴的相对高度差为-1.0mm 时，流化床喷枪的雾化效果最好。生产工艺受多参数影响，任何一个参数的变化均会影响最后的结果，若要流化床的包衣效果达到最佳化，以上参数还应结合流化床的其它设置参数（空气温度、壁材种类、芯材粒径和外观形态等）共同调节方可实现。

参考文献（略）