[科普中国]-垂直上升混流行-

喷雾干燥器

喷雾干燥器主要由雾化器、干燥室以及进料、收集等辅助设备组成，其中雾化器和干燥室对喷雾干燥乳液的形成起着关键性的作用。液体通过雾化器分散成微小的液滴，增大了蒸发面积，在高温下可以瞬间干燥。常用的雾化器有离心式雾化器（旋转雾化器）、压力式雾化器和气流式雾化器（双液喷嘴雾化器）。离心式雾化器的工作原理是当物料被送到离心雾化器高速旋转的转盘上时，在离心作用下形成薄膜，并向转盘边缘运动，离开边缘时液膜碎裂并雾化。压力式雾化器包括液体切向入口、液体旋转室和喷嘴孔等组件，高压泵出的料液从切向入口进入液体旋转室并进行高速旋转运动，越靠近轴心处旋转速度越大，静压强越低，于是在喷嘴中央形成一股压强很大的空气旋流，此时液体变为绕轴心旋转的环形薄膜，在喷嘴处液体静压能转化为动能使液膜从喷嘴喷出，再伸长变薄并逐渐分裂为小雾滴。气流式雾化器是利用高速气流对液膜的摩擦分离作用来实现雾化的，当中心管的料液与环隙中的气体在端面处接触时，两者因为速度差产生很大的摩擦力，使得料液雾化1。

干燥室的设计主要考虑高温空气如何能更好地与雾滴充分混合以提高干燥效率，一般由高温气流的流动速率及流动方式来控制。

热风和雾滴的运动方向在喷雾干燥塔内，热风和雾滴的运动方向，直接影响塔内的温度分布，进而影响产品性质和干燥时间。热风进出干燥塔的方式和热风分布装置，直接控制塔内的热风运动状态。如果设计得当，不但能促进干燥过程的进行，而且还能减轻粘壁现象。

目前各类喷雾干燥设备中，高温气流与雾滴的流动方式可分为并流、逆流及混合流三类，其中并流又分为水平并流和垂直并流，垂直并流又可分为上升和下降两种。水平并流和垂直上升并流仅适用于压力喷雾的情况。垂直下降并流适合压力喷雾和离心喷雾，高温气流与料液均从干燥室顶部进入，粉末沉落于底部，而废气夹带粉末从靠近底部的排风管一起排至集粉装置。这种设计利于颗粒干燥和产品卸出，但加重了回收装置的负担。逆流操作中，高温气流从干燥室底部上升，料液从顶部喷洒而下，已经干燥的产品会与高温气体接触，不适用于热敏性物料的干燥。逆流操作中废气由顶部排出，为了减少废气带走未干燥的雾滴，必须保持较低的气体流速，因此在一定程度上限制了生产能力，但逆流操作的传热、传质推动力都较大，所以热能利用率较高。混合流操作的优点是高温气流与物料接触面大且接触密切，有搅拌作用，脱水效率较高。

所谓混合流运动，是空气——雾滴既具有逆流又有并流的运动。混合流又分两种情况：

（1）喷嘴安在干燥室底部，向上喷雾，即垂直上升混流型。热风从塔顶部进入，雾滴先与空气逆流向上运动，达到一定高度后又与空气并流向下运动，最后，物料从底部排出，空气从底部的侧面排出。

（2）喷嘴安在塔的中上部，即垂直下降混流型。物料向上喷雾，与塔顶进入的高温空气接触，使水份快速蒸发，雾滴到达一定高度后又与空气并流向下运动，最后气——固同时从塔底排出。

（3）这二种混合流都是气一液先逆流运动，具有逆流热利用率高的特点。雾滴升到一定高度后，与降低许多温度的空气并流向下运动，干燥的物料和已经降低到出口温度的空气接触，避免了物料的过热变质，具有并流操作的特点。故此型适用于热敏性物料的干燥。这种流向显著的延长颗粒在塔内的停留时间，从而可降低塔的高度。在设计与操作时，要注意避免在颗粒返回区域内，产生严重的粘壁现象。

喷雾干燥乳液的形成喷雾干燥法制备微胶囊，是将含有芯材和壁材的混合溶液经过乳化均质，得到原始乳液，再进入喷雾干燥器被雾化成小液滴，与热气流接触，溶剂迅速蒸发，最终得到干燥乳液（粉末）的操作过程。芯材可以是固体粉末、悬浮液、溶液；壁材一般溶解在水中，也可以是其他溶剂。乳化均质一般通过物理搅拌、高压涡旋和微射流等处理完成。液体的雾化是喷雾干燥过程中最关键的一个步骤，它直接关系到颗粒形成的好坏，所以在实际操作过程中一定要根据需要选定好相关的参数，如进风温度、喷嘴直径。喷雾干燥器中的热气流通常是高温空气，很少情况下选用氮气。相比亲水性芯材的包埋，喷雾干燥法更适用于疏水性芯材的包埋。

喷雾干燥法制备微胶囊大致可分为以下两步。第一步是制备稳定的O/W乳液：将具有亲水性的壁材充分溶解于水中，加入疏水性芯材和适当的乳化剂，再经过乳化均质形成粒径约为0.1-10μm的原始乳液。第二步是乳液通过喷雾干燥器雾化干燥成粉：雾化的目的是形成乳液液滴，增加与干燥热空气接触面，以提高热交换和质交换效率；液滴与热空气接触的过程中，空气向液滴的传热升高了液滴的温度，并达到一个恒定值，形成一个恒温和恒压的环境，此时液滴水分开始蒸发；当液滴中水分达到临界值，液滴表面形成了干燥的外壳，水分蒸发速率降低，直到颗粒温度与空气温度一样时，干燥过程结束。芯材是分散相，壁材是连续相且具有一定的粘度、成膜性和表面活性，因而雾化后雾滴表面是壁材成分，雾滴内部为芯材成分，雾化后液滴表面积大大增加，在喷雾干燥室入口处，高温气流会迅速蒸发掉液滴中的水分，此时壁材形成一种既屏蔽芯材粒子又使水分子可以从中蒸发的网状结构，液滴中水分蒸发后，壁材形成更为致密的玻璃体结构，不但芯材粒子难以通过，甚至连氧气分子的进入也受到阻碍，从而保护芯材2。