流化床制粒理論與實(shí)踐

Part1、流化床制粒理論

流化床制粒混合工藝特別適合粒徑范圍在50-200μm的物料。顆粒的流化行為是各種顆粒之間作用力和相互作用力的總和。當(dāng)經(jīng)過料床的氣流足夠大時(shí)，顆?？朔亓Φ靡粤骰Ｔ诘偷倪M(jìn)風(fēng)速度下，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度與流化床內(nèi)壓降成正比。隨著進(jìn)風(fēng)速度的增加，流化床內(nèi)顆粒由靜止變?yōu)閼腋?，此時(shí)對應(yīng)的氣流速度為最小流化速度（Umf）。最小流化速度在一步制粒工藝中是一個(gè)初級(jí)下限，隨著制粒工藝的進(jìn)行，最小流化速度應(yīng)該是變化且逐漸增大的。制粒工藝的流化速度應(yīng)大于最小流化速度，這樣才不會(huì)使粗細(xì)顆粒分離。

當(dāng)流化速度高于最小流化速度時(shí)，流化床內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)很像劇烈沸騰的液體，料床底部有氣泡（在接近流化床床底的地方形成，靠近氣流分布板），并在風(fēng)機(jī)的作用下迅速上升至表面破裂。也由此可知?dú)饬鞣植及宓脑O(shè)計(jì)對流化床的特性有重大影響。隨著流化速度的增加，粉體體積膨脹，床體內(nèi)單位體積內(nèi)的顆粒密度降低。當(dāng)流化速度達(dá)到某一速度時(shí)便會(huì)將顆粒吹走，此時(shí)的速度被稱為夾帶速度。流化床制?；旌铣潭扰c粒徑和氣流通過物料的運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)。氣流運(yùn)動(dòng)方式影響氣體與顆粒之間傳熱。

標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)速度通常為1.0~2.0m/s。對于聚團(tuán)的物料，所需的空氣流速為最小流化速度的五到六倍。干燥需要低速，如0.8-1.4m/s。由于流化床內(nèi)存在濕物料，因此在干燥的早期階段需要較高的速度，但通常會(huì)在產(chǎn)品失去水分時(shí)降低風(fēng)速，目的是保證顆粒良好的運(yùn)動(dòng)且防止物料進(jìn)入過濾器。在流化床制粒工藝中，顆粒運(yùn)動(dòng)和快速干燥很重要。顆粒在流化床觀察孔自由向下流動(dòng)是比較好的制粒狀態(tài)，也可以通過出風(fēng)溫度監(jiān)測不好的流化狀態(tài)。每個(gè)產(chǎn)品都有恒定的干燥速率，其中流化床內(nèi)溫度在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)保持相對恒定。如果出風(fēng)溫度上升速率比預(yù)期的快，則表明流化狀態(tài)不好，可能必須停止制粒，并且需要手動(dòng)或機(jī)械干預(yù)來輔助流化。

Part2、顆粒聚集與生長機(jī)理

聚集是以細(xì)顆粒為起始物料增大粒度的過程，顆粒生長主要有三種機(jī)制：

1.由于顆粒表面存在不流動(dòng)的液體而形成粘結(jié)液橋，可以促進(jìn)細(xì)顆粒的粘結(jié)；2.存在界面力和毛細(xì)管壓力使得顆粒變得緊實(shí)；3.由于干燥過程中溶解物質(zhì)的結(jié)晶而形成固體橋。

理想狀態(tài)下，流化床內(nèi)的初級(jí)顆粒經(jīng)過噴霧區(qū)時(shí)與潤濕劑霧滴接觸，潤濕劑在顆粒表面擴(kuò)散潤濕顆粒。同時(shí)顆粒之間相互撞擊形成液橋，而后在流化床內(nèi)部干燥固化形成顆粒。流化床制粒機(jī)理見下圖。

影響流化床制粒工藝的因素可分為三大類：處方相關(guān)變量、設(shè)備相關(guān)變量及工藝相關(guān)變量。

處方相關(guān)變量：一步制粒理想的起始物料應(yīng)該具有低密度（密度差異小）、粒徑小、粒度分布范圍窄、接近球形。物料的內(nèi)聚力、靜電、粒度分布、結(jié)晶或無定形性質(zhì)以及潤濕性等會(huì)影響顆粒的性質(zhì)。當(dāng)制劑物料中含有疏水性物料或親水性物料與疏水性物料的混合物時(shí)會(huì)出現(xiàn)流化困難?；旌衔锏氖杷栽黾樱瑢?dǎo)致顆粒的生長減少。可以通過添加表面活性劑（如月桂硫酸鈉、SDS）改善疏水性物料一步制粒的效果。粘合劑：不同的粘合劑具有不同的粘結(jié)性質(zhì)，粘合劑的類型、制劑中的粘合劑用量和粘合劑的濃度對顆粒性質(zhì)具有重大影響。

粘合劑的加入方式也會(huì)影響顆粒性質(zhì)，有研究發(fā)現(xiàn)將粘合劑內(nèi)加用乙醇制粒，顆粒的粒度更大，但當(dāng)把粘合劑加入溶液中制粒的顆粒不易碎且流動(dòng)性好。粘合劑的溫度影響溶液的黏度，進(jìn)而影響液滴的大小。粘合劑溶液溫度升高，溶液的黏度降低，從而減小了液滴的粒徑，因此制得的顆粒平均粒徑較小。粘合劑溶液的黏度和濃度會(huì)影響粘合劑霧滴的大小。粘合劑黏度增加，形成的霧滴更大，制得的顆粒粒徑更大。

設(shè)備相關(guān)變量：由于隨機(jī)流化而發(fā)生的聚集和磨損，需要在制粒過程中控制顆粒。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，因?yàn)橹饕牧骰瘲l件和粒度分布在此過程中會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)經(jīng)過調(diào)節(jié)的空氣通過流化床的下部氣室引入時(shí)，給定體積的空氣的流化速度決定了如何實(shí)現(xiàn)流化。

氣流分布板提供了向產(chǎn)品供應(yīng)空氣的合適方法。主要通過其開孔面積百分比來識(shí)別。通常可以使用開孔面積為4%到30%的氣流分布板。這些可互換的氣流分布板或具有可調(diào)節(jié)開孔的氣流分布板可以提供一定范圍的裝載能力，從而可以高效、均勻地生產(chǎn)。為了防止竄動(dòng)，操作員可以選擇具有最佳提升性能的氣流分布板。具有小的開孔面積來產(chǎn)生足夠大的壓降的氣流分布板可以保證產(chǎn)品均勻流化，不會(huì)堵塞過濾器?；蛘呖梢允褂镁哂休^大開孔面積的氣流分布板將具有較高堆密度的產(chǎn)品進(jìn)行流化處理。

流化床的幾何形狀是可能影響制粒工藝的因素。流化速度必須從流化床底部到頂部邊緣下降一半以上，以防止較小的較輕的顆粒被吹到過濾器中，從而與流化床中較重的產(chǎn)品分離。通常圓錐形的容器與膨脹室是優(yōu)選的，其中氣流分布板橫截面直徑與容器頂部的直徑之比為1:2。

工藝相關(guān)的變量：流化床制粒工藝是動(dòng)態(tài)過程，其中通過噴槍產(chǎn)生霧滴并將其沉積在隨機(jī)流化的顆粒上。粘合劑溶劑蒸發(fā)，留下粘合劑。在所有溶劑蒸發(fā)之前，其他無規(guī)則顆粒與潮濕顆粒接觸粘結(jié)。將該工藝重復(fù)多次以產(chǎn)生所需的顆粒。有許多控制制粒的工藝變量。最重要的工藝變量有：工藝的進(jìn)風(fēng)溫度、霧化壓力、空氣流化速度和體積、噴液速度、噴槍的位置和噴槍的數(shù)量、物料溫度和出風(fēng)溫度、過濾器的孔隙率和反吹頻率、流化床體積。

這些工藝參數(shù)是相互依存的，如果可以理解這種相互依存的關(guān)系，則可以生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品。進(jìn)風(fēng)溫度取決于粘合劑載體的選擇及所形成的顆粒的熱敏感性。通常水性溶液允許使用進(jìn)風(fēng)溫度范圍60℃-100℃。有機(jī)溶劑需要使用50℃至低于室溫的進(jìn)風(fēng)溫度。較高的進(jìn)風(fēng)溫度將粘