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流化床造粒的研究进展

综

述

与

述

评流化床造粒的研究进展

王　可,程　榕,杨阿三

(浙江工业大学化学工程学院,浙江杭州　310014)

摘　要:简述了流化床造粒的主要方法,阐述了造粒的机理主要是团聚和涂布两种过程,总结了影响造粒的因素和

研究造粒过程中提高团聚效率的方法,并对流化床今后的研究方向进行了展望。

关键词:流化床造粒;造粒机理

中图分类号:TQ029.4 文献标识码:A 文章编号:1003-3467(2003)03-0001-03

ResearchProgressofFluidized-BedGranulation

WANGKe,CHENGRong,YANGA-san

(CollegeofChemicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou　310014,China)

Abstract:Themainmethodsoffluidized-bedgranulationarereviewed.Twomechanismsofgranulation,i.

e.agglomerationandlayeringareintroduced.Theinfluencingfactorsofgranulationaresummarizedand

methodofcollectionefficiencyofgranulationareresearched.Thefuturetrendofresearchareforecasted.

Keywords:fluidized-bedgranulation;mechanismofgranulation

流化床造粒广泛应用于产品的制造过程,如肥

料、药品、工业化学品、食品(尤其速溶食品)、陶瓷、

核燃料以及树脂工艺等。流化床造粒通常是产品干

燥所需的预加工过程或后处理过程,或者是与干燥

同时进行的过程。

1　流化床造粒的方法及其应用

造粒的方法很多,如搅拌法、压力法、加热法、喷

雾分散法等[1]。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,人们普遍要求生产大颗

粒肥料(粒径为4～8mm),大颗粒肥料由于粒度大、

强度高而适于森林、草原飞播,超大颗粒尿素(粒径

为8～12mm)可作为稻田的深层底肥[2-3]。而在目

前诸多的造粒方法中,流化床造粒的突出特点是集

成粒、混合、干燥过程于一体,工业化应用已得到推

广。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。近几年,高速

超临界流体(RESS)造粒也有所发展。

1.1　流化床喷雾造粒方法及其应用

喷雾造粒一般以空气流化气体,先进行预热后,

通至带有分布板的流化床底部。液体进料大多数是

由双流体喷嘴喷入流化床,要求喷嘴具有操作弹性

且不易堵塞,如果是热气体,雾化结晶液时更要注

意。为了使得涂在颗粒上的液体尽可能干燥,一般采用气体和固体颗粒逆流,以便使产品粒度分布更

均匀。流化气体的速度要大到能使大颗粒强烈运

动,以防止结块现象发生。

20世纪50年代,为了提高药品的稳定性和美

观度,Wurster最早把流化床喷雾造粒技术应用于医

药。流化床喷雾造粒随后应用于化肥工业也取得了

巨大的成功,如日本三井东压化学公司开发的尿素

造粒技术,整个设备体积小,水电消耗低。随着喷雾

造粒技术的发展,生产成本的降低,为了得到功能性

的成分和添加剂,人们应用喷雾造粒技术处理助剂、

防腐剂、维生素、矿物质和调味剂等[4],获得了较好

的效果。

1.2　喷动流化床造粒方法及其应用

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。喷动流化床综

合了流化床及标准喷动床的优点,既适于处理大颗

粒物料,又能提供像流化床一样良好的气固接触效

果与混合,故可被用来作为生产大颗粒产品的造粒

器。NSM公司开发成功了卧式多室喷动床造粒器,

应用于尿素、硝酸铵的生产。

1.3　振动流化床造粒方法及其应用

收稿日期:2002-12-11 作者简介:王　可(1976-),男,在读硕士,主要从事流化床造粒的研究,电话:(0571)88819032。・1・河南化工　2003年　第3期

化床中实现。当气体被用作热量和物质传递载体在

造粒中应用时,该设备叫做气体振动流化床

(AVFB)。振动流化床的优点在于造粒的强度高,速

度快,造粒产品质量的改善,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[1,5-6]。气体振动流化床常用在食品和医药工业

的造粒。目前,振动流化床的主要生产商有Anhy2

dro、Niroatomizer、Escher-Wyss等公司。

1.4　高速超临界流体(RESS)造粒方法及其应用

RESS过程是超临界流体经过微细喷嘴的快速

膨胀过程。在膨胀过程中,温度压力的突然变化使

溶质的过饱和度骤然升高,当溶液以单相喷出时,析

出大量微核,微核在极短的时间内快速生长,形成粒

度均匀的亚微米以至纳米级微细颗粒。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一层一层长大的。高速超临界

流体造粒的特点是能够控制颗粒的大小,但在实际

工业生产中存在很多的不利因素,比如,流体要在高

速下喷淋,动力消耗较大;在操作时,喷嘴的最低温

度可达零下七八十度,因此对设备的材料要求较

高[7-8]。由于以上诸多不利因素的影响,有关超临

界造粒的工业应用目前未见相关报道。

2　流化床造粒的机理

2.1　团聚和涂布过程及模型的研究

流化床造粒中颗粒的成长有两种机理。一种机

理是由两个或两个以上的粒子通过粘合剂形成“液

桥”,团聚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,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。另一种机理是通过喷淋液

在母粒周围反复涂层,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。按此机理成粒,生长速度较慢,成长稳

定均一,溶解速率慢,但机械性能好。两种造粒过程

的模型见图1。

图1　流化床造粒中的团聚和涂布

对于以上两种不同的造粒过程,Smith[9]和Steven[10]分别利用质量守恒的方法和离散化粒数平

衡方法得出了团聚生长的模型;Smith[9]和吴洪等[11]

运用质量守恒法,得出了理想化颗粒层式成长的模

型。

2.2　判断颗粒生长机理的准则

Ennis[12]提出了用颗粒的粘性斯托克斯数Stv判断颗粒生长机理的准则,从微观上分析了造粒过

程中的力平衡。当颗粒相对运动动能全部消耗在粘

性碰撞中时,可求得临界Stvc数。造粒过程可以分

为三个区域:①粘性Stv数远小于临界Stvc,即Stv/

Stvc→0,这种情况一般发生在晶种直径10μm数量

级或更小,颗粒碰撞即聚在一起。②当颗粒不断长

大,其最大值与临界Stvc相等,Stmax/Stvc→1,为造粒

的惯性区。颗粒的动能和粘合剂都影响颗粒团聚的

速率。③当颗粒继续长大,其平均Stv与Stvc相等

时,Stv/Stvc→1,为造粒的分层生长区。对于Stv<

Stvc的局部区域内,颗粒团聚生长;Stv>Stvc的局部

区域内,团聚颗粒被破碎,两者达到一稳定的动态平

衡,存在颗粒生长极限,颗粒只有分层生长。

3　流化床造粒研究的现状

3.1　流化床造粒的影响因素

表1　影响流化床造粒的因素[13-14]

类别影响造粒的具体因素

液体表面张力、润湿特性、粘度固体颗粒大小、孔隙率、溶解性、渗透性质过程喷涂性质、气体温度、母液流率设备喷嘴位置、床体体积、流化性质

现对表1中影响流化床造粒过程的几个主要因

素总结如下[15-19]:

①流化气速的影响。流化气速的大小直接影响

床层的流化状态。当流化气速过小,并且床温过高

时,易造成“干式”失稳,此时流化气带来的热量不足

以使溶剂及时蒸发,会造成床层“湿式”失稳;而过大

的气速会增大磨损,使得造粒的效果下降。②流化

床层温度的影响。当其他操作条件相同时,床层温

度低则床内湿度高,雾化液滴易于在颗粒表面上铺

展开而形成较大的固液接触面积,因而颗粒易于碰

撞后团聚,所以颗粒生长速率快;但过低的床层温度

易导致湿式死床。反之,床层温度高时则生产能力

较高,设备利用率高,同时提高了流化床的传热温差

和传热效率;但过高的床温会降低造粒的效率,这主

要是因为雾化液滴在没有接触到流化颗粒之前就已

经被干燥,干燥后的粉尘随流化气体扬析出来。③

料液流速对颗粒生长速率的影响。在保证充分的热・2・河南化工　2003年　第3期

长越快,颗粒粒径增长速率随时间增大而减小。④

初始粒径的影响。初始粒径越大,颗粒的相对生长

速率减小,一般认为随着初始粒径的增大,由于碰撞

磨损和自身重力等引起的分散力增大,使团聚成功

率降低,层式机理成长所占比重加大;当初始粒径小

时,粒子更易团聚,所以颗粒生长速率较大。⑤粘合

剂的影响。一般说来,粘合剂的粘度随浓度的增大

而显著增大,颗粒更易于团聚,成长速度加快。

3.2　造粒效率的研究

Loffler认为,聚集效率Φ可以表示为碰撞效率

ε和粘接概率h的乘积,即Φ=ε×h。Link[14]等应

用Loffler的分析方法对单颗粒的涂布过程做了研

究,并分析了颗粒碰撞的可能结果,用图形描述如图

2。

图2　液滴和流化颗粒碰撞的可能结果

Link认为影响颗粒碰撞的因素有:①液滴动量。

增大液滴动量,开始时颗粒生长速率也随之增大,达

到一最大值后,颗粒生长速率减小,这主要是因为增

大液滴动量开始会增大碰撞效率ε;但动量过大,液

滴会反弹,反而降低碰撞效率。②干燥和润湿。湿

度增加会增大粘接概率h。通过降低空气温度来提

高湿度会导致颗粒生长速率降低,主要是因为反弹

和破坏过程作用在湿的表面而引起的。③母液浓

度。由于浓度影响粘度,从而影响粘接概率h。不

断加大物料的量开始会使颗粒生长速率增大,然后

不变,原因是每种物料都有其饱和溶解度。

实际上,Loffler对聚集效率Φ的表达式不够完

整,除了碰撞效率ε和粘接概率h外,还应该考虑磨

损概率α;Link等的实验没有验证流化气速对聚集

效率的影响,在较大的气速下,磨损概率较大,因此,

将显著地影响聚集效率Φ。Saleh[20]使用氯化钠溶

液研究造粒过程,得出了涂布效率与比表面积的关

系为:

η=0.0000080Ap+0.53

式中,η为涂布效率,Ap为比表面积。

4　造粒研究展望

人们使用各种方法建立一些理想的造粒模型,

但都存在一定的缺陷。因此,在以后的研究中,我们需要利用新的测量和控制手段(如在线测量粒径和

床层内湿度等),结合合理的数学或运筹学的方法进

行处理,从而建立较为普遍适用的流化床造粒的真

实模型。

流化床造粒的影响因素很多,并且各个因素间

互相影响,单纯研究每种因素对流化床造粒的影响

比较困难。在实际生产中,提高造粒效率更具有迫

切的现实意义。在以后的研究中需要搞清楚哪些是

过程因素和物性因素引起的,哪些是本身设备因素

引起的,从而有利于我们在设计流化床时尽量减少

和避免不利因素;同时,在实际生产中,优化各种操

作条件,使得我们既得到理想的产品又能够节约资

源,创造良好的经济效益。

流化床造粒不但可以改进产品外观,得到所希

望结构形状,还便于控制产品性质、溶解度、孔隙

率、比表面积,可以降低能耗、减少物料损失,回收工

业中产生的粉尘,从而很好地保护了环境。我们应

该大力推广和应用流化床造粒技术,使干燥造粒向

低能耗、低污染、绿色干燥的方向发展。

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