隐蔽的角落之流化床捕集袋

 流化床工业生产是一个机理复杂的操作过程，长期以来，围绕着流化床的整体优化，学者们开展了大量的实验与理论研究，主要涉及颗粒与气体的流动特性、床层的膨胀与压降、床内的传热与传质、床层结构对流态化的影响、颗粒的夹带、分离与输送等课题（陈甘棠,王樟茂.流态化技术的理论和应用[M].北京：中国石化出版社,1996）。初期，学者们主要通过改变流化床的物理尺寸和操作参数等实验条件，获取并积累一些运行状态数据，进而指导流化床的工程设计与系统操作。后来，随着研究的不断深入，人们逐渐认识到流化床的稳定性和高效性乃主要受制于床内的气流分布和颗粒的动力学行为（褚开维.流化床中气固两相相互作用行为的数值模拟[D]：[硕士学位论文].西安：西安建筑科技大学,2001），于是一些先进的检测仪器或测试手段，如激光多普勒测速仪、颗粒动态分析仪、高速摄影、示踪离子和图像处理技术等被大量引入到流化床的研究中，从而为流化床系统流动参数的瞬态或多维测量提供了便利，为工业流化床的发展奠定了基础。
流态化基本条件
流化必须具备第一个条件——最小流态化速度（当然，这个概念的命名不尽相同，但是本质是一样的）。最小流态化速度是流态化重要的特征参数之一，是流态化操作流速的下限值，低于该流速，床层将失去流态化（就是咱们经常说的“塌床”），所以，必须以高风速带动固体物料实现气固混合、流化，然而如果一直保持这种风速，物料都将会逃逸（吹飞），而降低风速，又会出现“塌床”，所以经典流化床“上宽下窄”的造型诞生了，如下图所示：
其意义在此：风量保持不变，下窄——截面积小，可以获得高风速，使物料高于最小流态化速度，上宽——截面积大，风速会随着截面的变大逐渐减低，最终形成“高速吹起，速度减低，慢慢回落，反复运动”【简单公式可帮助理解：风速=风量/通风截面积】。
干燥功能
 流化床的经典应用，大家可能会想到教课书版的三个应用：顶喷制粒、底喷包衣、侧喷制丸，其实这些功能之中，兼容了一个流化床不能忽视的功能，即，干燥，也就是常说的“沸腾床”，那我们再看看流化床干燥给工业带来了那些变化。如下图8，是一个经典的沸腾床示意图。
 流化床干燥，采用将待干燥颗粒直接悬浮或鼓泡流态化在加热的空气流或其他气体介质中实现干燥。充分的接触和可利用的高表面积使干燥更快，更有效，因此流化床是高容量物料干燥的较优选择。
但是在工业化生产过程中，同一台流化床可能用于不同品种的物料进行干燥，所以为了沸腾床的适应性，对压差分布板也有了不同设计（鱼鳞式，有倾斜切线式，宝塔式），但是，目的都是一样的——预防“塌床”，并延长热空气在干燥室中的停留时间，提高热空气与是物料的接触表面积。

垂直式

颗粒硬度高

粒径分布范围宽

易结块

易塌床
倾斜切线式
颗粒硬度高

粒径分布范围较窄

易结块

较易塌床

图片


图片
鱼鳞式

颗粒硬度较高

粒径分布范围较窄

较易结块

易塌床



宝塔式
颗粒硬度低

粒径分布范围窄

不易结块

不易塌床

垂直进风更易"塌床"？
为什么经典竖直进风结构，更容易出现“塌床”？如下示意图:

红色箭头的表示竖直进的热空气，而黑色箭头表示物料堆积对压差分布板的压力，这时的物料的最低流化速度，有如下的关系：

其中v为最低流态化速度，d为颗粒的粒径，g为重力加速度，ρp为密度，ρ为空气密度，μ为动力学黏度，从公式可以看出来，物料颗粒越大，密度越大，需要的流化速度越高，而且竖直进风想克服垂直方向∑F的压力，更需要极高的流化速度，干燥初期的湿颗粒，只有靠近压差分布板最底下一层物料最先受到热空气的加热，刚刚进入腔体的热空气湿度较小，随着沿床层（床层厚度D）向上扩散，空气湿度沿着D向上越来越大，而且颗粒之间的液体桥没有固化，不稳定，很容易在湿热空气的作用下，颗粒由于相对位置极近，甚至导致挤压，而发生水分侵入，引起局部颗粒湿度超过临界湿度，也就是咱们经常说的黏连成块，这种情况下，d值与ρp会发生指数增长，远远超出进风的v，而发生“塌床”。

不同的气流分布板发生不同的流态化
相同开孔率，相同风量，相同批量下，对直孔气体分布板与斜孔气体分布板的流化状态进行测试研究，发现，斜孔流化效果更好（刘巍.CFD模拟与流化床气体分布板的机构设计：计算机与应用化学，第27卷，第3期），所以制药行业中，气体分布板会有越来越多的斜孔式出现，如下图所示：

容易被忽视的"捕集袋"
 流化床在干燥和制粒工艺中，捕集袋发挥着至关重要的作用:

★药物粉体过滤，尽量避免药物粉体弥散至排风系统；

★影响干燥效率，低阻力高效率捕集袋既能保证良好的床层压降，又能达到良好的通风热交换率，提高干燥效率，降低了工作能耗；

★影响制粒效果，拦截精度（3μm、5μm、10μm、20μm ），均一性越高，颗粒内在质量均一性越好，特别是经过微粉化原料药的制粒，捕集袋孔径不均一，容易导致含量下降或者不均一；

★抗静电能力、熔缝技术等直接影响捕集袋抗粘附力，进而影响产品收率。以国内FBD200型流化床为例，一般的捕集袋，每批粉体结块、粘附、丢失约1.5-2.0kg，按照2批/天、180天（捕集袋寿命）生产计算，损耗物料量高达360kg，选择优质捕集袋，可以有效降低损耗，降低能耗，节约成本，提高收率。