生物制药设备之干燥原理与干燥设备

干燥曲线一、固体湿物料的干燥过程预热第二降速恒速干燥第一降速1.预热阶段

随着固体物料表面温度的升高，湿物料内部空隙中的水分开始由内向外移动，形成固体物料表面非结合水分，并汽化进入空气。物料中的水分蒸发速度加快，总含水量降低，表现为物料加速失水。2.恒速干燥阶段

当将物料加热到某一温度时，固体表面上的水分受热后蒸发到空气中的速度，以及空气中的蒸汽冷凝到固体物料表面的速度都保持恒定不变，表现为物料恒速失水，此阶段称为恒速干燥阶段。

3.第一降速干燥阶段

当物料表面非结合水分数量减少，局部非结合水分被去除，内部水分不能及时扩散到表面，表面不是全部润湿的状态，由此开始第一降速干燥阶段。

实际生产中，物料中总含水量降低到一定的范围就终止了干燥过程，此时物料总含水量高于平衡含水量。注意：

当进物料表面温度开始升高，汽化过程从表面逐渐转移到内部，汽化量降低，总含水量降至为平衡含水量，湿物料的干燥过程完结。4.第二降速干燥阶段二、恒速阶段的干燥速度单位时间内单位面积上所能汽化的水分量叫干燥速度。

干燥速度，单位为。热空气与物料间的对流传热系数，单位。湿球温度，℃；为水在湿球温度下的汽化热，单位。三、固体物料的干燥时间

固体物料在干燥器中的停留时间称为干燥时间。固体物料的干燥时间是四个阶段所耗时间之和。

预热时间短，并入恒速干燥阶段计算，第一降速干燥阶段和第二降速干燥阶段合并为降速干燥阶段计算。1.恒速干燥时间的计算绝对干物质质量；进口干基湿含水；临界干基含水量干球温度2.降速干燥时间的计算计算方法有图解积分法和解析法。解析法：为恒定干燥速度曲线的斜率；为物料干基平衡含水量，单位。3.物料干燥时间物料干燥所需总时间为：四、水分蒸发量D

以湿基含水量表示，湿物料的水分蒸发量为：湿物料的水分蒸发量，单位。分别为进料速度和出料速度，单位。进料湿基含水量；单位。出料湿基含水量，单位。五、绝干空气用量

热空气在进出干燥器的过程中，绝干空气没有损失，质量保持不变。但湿物料蒸发出的水分进入了热空气，所以，热空气总质量增大。增加的质量就是湿物料的水分蒸发量。蒸发1kg水分所消耗的绝干空气的质量；热空气进口湿度；热空气出口湿度。六、干燥产品流量

例题1：常压下用连续干燥器干燥某物料，物料含水量为15%，进料速度为每小时1200kg,物料出口含水量2.5%。热空气的进口湿度为0.0085,经预热后进入干燥器，出干燥器的湿度为0.0058,试求：（1）水分蒸发量；（2）空气消耗量；（3）干燥产品流量。解：已知（1）水分蒸发量（2）空气消耗量（3）干燥产品流量物料中的水分干燥：除去固体、半固体及糊状物料中湿分的过程称为干燥。加热干燥压力常压干燥

将物料置放在常压下进行的干燥真空干燥

将物料置放在真空环境中进行的干燥干燥方法机械干燥

在机械设备挤压等操作下进行的干燥热能干燥冷冻干燥热能干燥是使物料中湿分汽化移除的过程1.结合水分一、结合水分与非结合水分水分与物料间借助化学或物理化学力结合的水分。结晶水分：

水分与物料分子间以化学力结合，有定量的组成，不能用干燥的方法去除。吸附结合水分：水分与物料分子之间以范德华力结合，无定量组成关系，采用一般干燥法去除。毛细管结构水分：水分被吸附在固体物料毛细管中，可用机械干燥法除去。结合水分2.非结合水分

机械地附着于物料固体表面、存积于大空隙内和颗粒堆积层中的水分称为非结合水分。特点

结合力弱，与同温度下纯水的蒸汽压相同，用一般的干燥法即可除去。3.溶胀水分以溶液形式存在于固体物料或细胞内的水分二、自由水分与平衡水分

用一定湿度的空气做干燥介质，在恒定的干燥条件下，根据物料中的水分能否被蒸发除去，可分为自由水分和平衡水分。自由水分在恒定干燥条件下，能被蒸发除去的水分。平衡水分在恒定干燥条件下，物料中的水分与环境中的水分交换达到平衡时，物料中保留存在的水分叫平衡水分。水分平衡水分一般不能被普通的干燥方法去除三、湿物料中含水量的表示方法1.湿基含水量W水分在湿物料中的质量分数或质量百分数称为湿基含水量。2.干基含水量X湿物料中的水分与湿物料中绝干物料的质量比，称为干基含水量。（三）湿基含水量与干基含水量的关系二、干燥过程物料衡算在干燥过程所采用的干燥介质常为热空气，其内含有少量的水分。

干燥过程中，物料与干燥介质的流动状态可看成是逆流，已知的参数有湿空气进出干燥器的湿度和温度，干燥前物料的含水量和干燥后物料的含水量。流化床干燥器流化床干燥器流化态

加热空气从下部通入向上流动，穿过干燥室底部的气体分布板，将分布板上的湿物料吹松并悬浮在空气中，物料所处的状态。流化床进行流化态操作的设备

制药行业所使用的流化床干燥装置可分为单层流化床、多层流化床、卧式多室流化床、塞流式流化床、振动流化床、机械搅拌流化床等。一、单层流化床干燥器结构

单层流化床干燥器由鼓风机、加热器、螺旋加料器、流化干燥室、旋风分离器、袋滤器、气体分布板组成。二、操作注意事项1.沟流和死床

加热空气流速大于流化所需要的临界流速而床层不流化，湿物料层被空气吹成了若干条沟槽，这种现象叫沟流产生沟流后沸腾式干燥不能进行叫死床。

消除沟流和死床的办法有加大气流流速；对物料进行预干燥；通过实验选择空气分布板等方法。2.腾涌

上升的气流穿过气流分布板后，形成气泡，且相互汇集成更大的气泡，直径接近床层直径，并将湿物料如活塞般抛起，到达一定的高度后崩裂，碎裂颗粒被向上抛送后纷纷落下，这种现象叫腾涌。

干燥过程中出现了腾涌，将产生干燥不均匀的现象，有时会使干燥无法正常进行。消除腾涌现象的方法有调节进料量、选用床高与床径之比相对较小的床层、对物料进行预处理等。3.操作参数物料的粒度湿物料含水量不超过5%颗粒状物料含水量不超过15%

由于增大了空气与湿物料的接触面积，传热速率加快，所以流化床干燥器生产效率高，热利用效果好。优点喷雾干燥器一、喷雾干燥器的结构雾干燥是将料液分散成雾滴，以热空气与雾滴接触使物料干燥的过程。喷雾干燥装置由空气预热器、气体分布板、雾化器、喷雾干燥室、高压液泵、无菌过滤器、贮液罐、抽风机、旋风分离器等部件组成。喷雾干燥器的组成及工艺流程

原料由料液贮槽经无菌过滤器过滤后用高压泵送至雾化器喷成雾滴。空气经过滤器过滤后用风机送至加热器加热，通过气体分布板进入喷雾干燥室。在干燥室中，热空气与雾滴接触而被干燥。完成加热后的空气经旋风分离器除去其中夹带的干燥物料后，用抽风机排空。干燥产品收集在干燥器和旋风分离器底部的接料桶中。

在喷雾干燥器过程中，雾滴的大小与均匀程度对产品质量影响很大。若雾滴不均匀，就会出现大颗粒还未干燥到规定指标、小颗粒已干燥过度而变质的现象。注意：二、雾化器1.离心雾化器

离心雾化器是一个圆盘，盘上有放射形叶片，由电动机传动，圆盘转速为。

将料液送入高速旋转的圆盘中部，液体受离心力的作用而被径向甩出，到达周边时呈雾状喷洒到干燥室中。

性能及应用

离心雾化器具有操作简便、适用范围广、料液通道大不堵塞、动力消耗少等优点。但需要有传动装置、液体分布装置和雾化轮，对加工制造精度要求高，检修不便。2.压力式雾化器

压力雾化器由高压泵、喷嘴、旋转室组成。喷嘴安装在雾化室上部，与旋转室内壁成切线关系。液体压力升高到2MPa～20MPa后，经喷嘴从切线进人旋转室中，并沿旋转室内壁作高速旋转运动，然后从出口小孔处呈雾状喷出。

压力雾化器结构简单、操作及检修方便，需要有高压泵配合使用，喷嘴孔径较小，易堵塞且磨损大，压力雾化器适用于低粘度的液体，不适用于高粘度液体及悬浮液。性能及应用3.气流式雾化器

用压强为的空气从环形喷嘴高速喷出，因高速气流产生了负压，从而将中心喷嘴处的料液以膜状吸出，液膜与高速气体在环形喷嘴内侧混合，并分散成雾滴。

气流式雾化器构造简单、磨损小，适用于各种粘度的料液。操作弹性大，可利用气、液比控制雾滴尺寸，但压缩空气用量大，消耗的动力多。三、物料与干燥介质的接触方式

在干燥室内雾滴与干燥介质接触方式有并流、逆流和混流三种.

并流：空气和料液都从干燥器顶部进人，雾化器也装在顶部，两者向下作并流流动。

逆流：若空气改从干燥器的底部送人，雾化器仍装在顶部则为逆流接触。

混流：若雾化器装在干燥室底部，空气由顶部向下吹，则二者先作逆流流动，后转为并流，属于混流接触。四、喷雾干燥器的特点

物料的干燥时间短，通常为15s～30s，甚至更少；产品可制成粉末状、空心球状或疏松圆粒状，工艺流程简单，原料进人干燥室后即可获得产品。厢式干燥器

在制药工业中通用的干燥设备有厢式干燥器、洞道式干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器、冷冻干燥器等。

厢式干燥器又称为盘式干燥器或室式干燥器，是典型的间歇式干燥设备。一、厢式干燥器的一般结构厢式干燥器由箱体、加热器和温度控制系统三部分组成。1.箱体的一般结构

箱体由箱壁、填料、干燥室、箱门、进排气孔、侧室等部件组成。侧室设计有温度控制系统。夹套中装填有绝热料，常用绝热材料为玻璃纤维或石棉板。2.加热器加热器是一组电炉箱或管式蒸汽加热器，起着提高冷空气温度的作用。3.温度控制器控制器灵敏度多为±1℃（1）差动棒式温度控制器

感温器是一根直径为3毫米的铟钢丝，其右端通过顶棒顶至动接点臂的突尖上，弹簧使得两接点臂总有一个向右的作用力。通电前，只要调温旋钮没有旋至零位，两接点是闭合的。通电后，电热丝电源相接，箱内温度升高。由于铜管的膨胀系数远比铟钢丝的大，虽然同样受热，但铜管相对伸长，带动铟钢丝向左移动，在弹簧的弹力和臂的杠杆作用下，顶棒亦跟着向左移动，接点则向右移动而断开，切断加热电路。箱内温度下降时，铜管冷却而收缩，推动顶棒向右移动，使接点闭合，加热电路再次接通。如此反复，即可使箱内恒温。

箱内温度的高低，可通过调节杆来调节。调节杆上的螺纹是反向螺纹，当反时针方向旋转时，接点断开。当调节杆按顺时针方向旋转时，接点连通。（2）温度控制电路

温度控制电路通常由温度设定装置、温度传感器、放大器、继电器及显示器等组成。温度设定电路用来设置需要加热的温度。温度传感器用来感测电热箱中的温度。

当温度传感器感测到的温度低于设定温度时，放大器饱和导通，继电器线圈带电，其接点Jx吸合，给电热箱加热。反之，当传感器感测的温度和设置的温度相同时，放大器截止，继电器线圈中无电流通过，其接点断开，停止加热。

放大电路的另一个作用是与显示器配合，将设置的温度及加热箱内的温度实时地显示出来。二、典型的厢式干燥器干燥介质：热空气穿流式、平流式、真空式气流状态：1.穿流厢式干燥器

在穿流厢式干燥器中，盛装物料的浅盘具有微小的气孔，热空气从气孔向上穿过物料层，与物料直接基础传热，使水分蒸发，并带走。2.水平气流厢式干燥器

干燥室中设计有若干层搁物架搁置浅盘，干燥时，将物料按10mm—100mm的厚度铺置在浅盘中，加热空气由空气整流板均匀进入干燥室各层之间，从物料的上方流过。物料中的水分蒸发成蒸汽，随空气排出。

水平气流厢式干燥器的进气速度取决于物料的粒度，其大小使物料不被气流带走为宜，一般为3.厢式真空干燥器