Принцип работы сушилки с псевдоожиженным слоем

Представьте себе кучу влажного порошка, лежащего на металлической пластине, испещрённой крошечными отверстиями. А теперь представьте, как через эти отверстия с силой нагнетается горячий воздух, так что порошок отрывается от пластины и начинает витать в воздухе. Зерна отскакивают друг от друга, кружатся, переворачиваются. Вся масса вздувается и движется, как кастрюля с бурно кипящим супом. Влажные частицы продолжают циркулировать в этом потоке горячего воздуха, пока влага не исчезнет.

Вот, вкратце, примерно в 60 словах, это сушилка с псевдоожиженным слоем на производстве. Концепция проста. Но процесс, лежащий в ее основе, состоит из ряда этапов, которые должны быть точно согласованы, иначе продукт получается слишком влажным, слишком сухим, подгоревшим или с комками.

Подготовка воздуха

Ничто не соприкасается с продуктом до тех пор, пока воздух не пройдет необходимую подготовку. Вентилятор засасывает окружающий воздух с территории завода, и этот воздух проходит непосредственно через фильтрующий блок. Фильтры задерживают пыль, волокна, насекомых, пыльцу и всё, что может находиться в воздухе. Фармацевтические и пищевые предприятия повышают уровень фильтрации до HEPA, поскольку попадание в партию даже одной частицы извне может привести к браку партии и вызвать недовольство отдела контроля качества.

После фильтрации воздух проходит через нагреватель. На крупных предприятиях обычно используются паровые змеевики. На небольших установках или в лабораторных условиях применяются электрические нагревательные элементы. Существуют также установки с термомасляным нагревом и газовые установки — в зависимости от того, какой источник топлива является наиболее доступным для данного предприятия.

Температура воздуха полностью зависит от того, что именно сушится. Устойчивая химическая соль без проблем выдерживает температуру 120 °C и выше. Витаминная смесь или фермент могут начать разрушаться при температуре выше 50 °C. Неправильный выбор температуры на входе — один из самых быстрых способов испортить партию, поэтому операторы уделяют много времени ее настройке перед началом производства.

Тарелка, распределяющая воздух

Между нижним воздуховодом и загрузкой, расположенной выше, находится плоская пластина с сотнями просверленных отверстий. Некоторые называют её распределительной пластиной. Другие — воздухораспределительной пластиной или решеткой. Как бы её ни называли, её назначение предельно ясно: принимать сконцентрированный поток горячего воздуха, поступающий из нагревателя, и распределять его так, чтобы каждый квадратный сантиметр загрузки, расположенной выше, получал одинаковый поток воздуха.

Когда пластина работает должным образом, весь слой порошка поднимается равномерно. Если же это не так, одна сторона слоя поднимается, а другая остается на месте. В «мертвых зонах» процесс сушки происходит медленно. Там образуются комки. В результате в партии получается разброс уровней влажности вместо единого показателя, что приводит к последующим проблемам.

Конструкции решеток могут различаться. Отверстия с прямым углом — это базовая версия. Угловые или направленные отверстия создают вихревой поток воздуха внутри сушильной камеры, что обеспечивает более интенсивное перемешивание продукта и позволяет сократить время сушки. Выбор конкретной конструкции зависит от типа продукта и рекомендаций производителя сушильной машины для данной модели.

Сама по себе флюидизация

При низкой скорости воздушного потока порошок просто лежит на пластине. Воздух проникает сквозь зазоры между зернами, но ничего особо не сдвигается с места. Увеличьте мощность вентилятора, и слой начинает сдвигаться. Зерна шевелятся и перегруппировываются. Продолжайте, и вдруг весь слой поднимается. Зерна отделяются, свободно парят и начинают сталкиваться друг с другом в воздухе. Слой расширяется и ведет себя как густая, бурлящая жидкость.

Существует определенная скорость воздушного потока, при которой подъемная сила воздуха точно уравновешивает вес зерен, тянущих их вниз. Ниже этой скорости реальной флюидизации не происходит. Выше нее слой быстро распадается. Большинство операторов стремятся к значениям примерно в 1,5–3 раза выше этого порога. Работа в этом диапазоне обеспечивает интенсивное перемешивание без выброса зерен в вытяжную систему.

Почему сушка в псевдоожиженном слое происходит намного быстрее, чем, скажем, в лотковой сушилке? Все дело в контакте. В лотковой сушилке продукт «запекается» в неподвижном слое. С горячим воздухом соприкасается только верхняя поверхность. Все, что находится ниже, ждет своей очереди. В псевдоожиженном слое каждое зернышко снова и снова проходит через поток горячего воздуха — сотни раз в минуту. Ничто не остается незамеченным. Ничто не задерживается в застойных зонах. Работа, на которую у лотковой сушилки уходит 8 часов, в псевдоожиженном слое может завершиться за 20 минут.

Как вода выходит из продукта

Сушка в псевдоожиженном слое протекает в две отдельные фазы, которые отличаются друг от друга по своим характеристикам.

На начальном этапе поверхности зерна еще влажные. На них обрушивается поток горячего воздуха, и вода превращается в пар практически при контакте. Воздух уносит этот пар, на смену ему приходит новый поток горячего воздуха, и цикл продолжается. Пока поверхность остается влажной, сушка проходит ровно и равномерно. В старых учебниках по сушке этот период называют периодом постоянной скорости, и он быстро устраняет поверхностную влагу.

Затем поверхность высыхает. Легкодоступная вода исчезает. Остается вода, запертая глубже внутри волокон, застрявшая в крошечных порах и каналах. Чтобы вывести её наружу, вода должна медленно проникать к поверхности, и только тогда она может испариться. Весь процесс значительно замедляется. В учебниках этот период называют периодом снижения скорости, и большая часть общего времени сушки уходит именно на это — на ожидание, пока запертая вода постепенно выйдет наружу.

Операторы следят за влажностью выходящего воздуха, чтобы определить, в какой точке кривой находится данная партия. Высокая влажность держится на одном уровне? Партия все еще находится в зоне постоянной скорости, поверхностная влага уходит быстро. Влажность начинает снижаться? Это зона падающей скорости. Легкая часть процесса завершена, и теперь сушилка прорабатывает глубокую влагу. Влажность стабилизируется на низком уровне и перестает меняться? Партия готова или близка к завершению.

Сбор пыли на выходе

Воздух, выходящий из верхней части сушилки, не является чистым. Конечно, он поглотил водяной пар из продукта, но при этом он также захватил мелкие частицы, которые поднялись в воздух в результате интенсивного перемешивания. Эти мелкие частицы не должны покидать здание. Они представляют собой потери продукта, а в фармацевтической и пищевой промышленности также создают риск загрязнения и угрозу безопасности.

Тканевые рукавные фильтры, подвешенные в верхней части сушилки, задерживают большую часть пыли. Вытяжной воздух проходит через рукава, мелкие частицы прилипают к ткани, а чистый воздух выходит сзади. Со временем мешки забиваются пылью и перекрывают поток воздуха. Современные сушилки решают эту проблему с помощью импульсной очистки. Кратковременный поток сжатого воздуха, подаваемый по таймеру, проходит через каждый мешок в обратном направлении, сбивая скопившийся слой пыли с ткани и возвращая его обратно в слой продукта. Это позволяет поддерживать стабильное падение давления и постоянный поток воздуха на протяжении всего цикла работы.

В фармацевтической и пищевой промышленности требования еще более строгие. Для продуктов, способных вызывать искрение, используются антистатические материалы для мешков. На выходе установлены фильтры HEPA. Датчики давления контролируют работу фильтрующего блока и подают сигнал тревоги, если перепад давления на фильтрах начинает расти до опасного уровня.

Выполнение пакетным способом

В большинстве фармацевтических предприятий сушилки с псевдосжиженным слоем работают в периодическом режиме. Вся партия влажного продукта загружается за один раз. Включается вентилятор, нагреватель уже нагрет до нужной температуры, и слой поднимается. Операторы постоянно следят за температурой слоя, влажностью выходящего воздуха и расходом воздуха. Когда показатели влажности указывают на то, что продукт готов, подача воздуха прекращается, и высушенный материал выпадает через клапан или опрокидывающийся бункер.

Продолжительность цикла может значительно варьироваться. Небольшая лабораторная партия быстросохнущих гранул может быть готова уже через 15 минут. А вот полномасштабная производственная партия труднообрабатываемого порошка с высоким содержанием влаги может занять более часа. На продолжительность цикла влияют такие факторы, как тип материала, размер партии и температура на входе.

Фармацевтическая отрасль предпочитает серийный режим производства, поскольку в этом случае отслеживаемость обеспечивается на высшем уровне. Одна партия — одна емкость — один комплект документации. Если в партии № 47 возникает проблема, она остается в пределах этой партии. Ничто не переносится на следующую партию.

Работать без перерыва

Пищевые и химические предприятия, работающие с большими объёмами, зачастую предпочитают использовать непрерывные технологии. Влажный материал подаётся на один конец длинного плоского псевдоожиженного слоя. Он проходит по всей длине установки, проходя через зоны с различной температурой. В передней части температура высокая, что способствует удалению поверхностной влаги. В средних зонах температура снижается. В конце может подаваться холодный воздух, чтобы понизить температуру продукта, прежде чем он выпадает с конца в сборный бункер.

В некоторых сушильных установках непрерывного действия для продвижения продукта используется вибрация. Весь слой материала мягко колеблется, подталкивая сырье от входа к выходу. В других установках для обеспечения движения материала в нужном направлении используется сила тяжести или давление самого флюидизирующего воздуха.

Без ожидания. Без погрузки и разгрузки. Продукт поступает в сушилку влажным с одного конца и выходит сухим с другого в непрерывном потоке. Предприятия, работающие круглосуточно и без выходных, предпочитают сушилки непрерывного действия, поскольку производственная линия никогда не останавливается.

На что обращают внимание операторы

Все эти компоненты объединяет ПЛК или СКП. Вводятся целевые значения, система управления регулирует нагреватель и вентилятор, чтобы поддерживать параметры на заданном уровне, а если показания выходят за пределы допустимого диапазона, срабатывает сигнализация. Более новые машины регистрируют каждую точку данных за весь цикл работы, что требуется регулирующими органами в фармацевтической отрасли и что пригодится для устранения неисправностей даже вне рамок регулируемой деятельности.

Извлечение высушенного продукта

В серийных сушильных аппаратах разгрузка обычно осуществляется снизу. Корпус наклоняется, открывается дроссельная заслонка, либо весь корпус поднимается и на колесах перемещается на следующий этап. В некоторых конструкциях предусмотрен боковой желоб с лопаткой для ручной очистки.

Прежде чем приступать к следующему этапу, необходимо проверить влажность. Испытание на потерю при сушке или измерение с помощью встроенного NIR-датчика подтверждают, что партия соответствует требуемым параметрам. Результат ниже нормы? Прогоните сушилку еще несколько минут. Пересушили и продукт стал совершенно сухим? Отметьте это и сократите цикл при следующей партии. Большинство фармацевтических спецификаций требуют конечной влажности в диапазоне от 11% до 31%, хотя точное значение зависит от рецептуры и дальнейшей судьбы продукта.

Сито или решетка, расположенные после выхода продукта, разбивают комки, прилипшие к стенкам или образовавшиеся вблизи пластины. Однако большинство продуктов, высушенных в псевдоожиженном слое, не требуют полноценного измельчения. Непрерывное перемешивание во время работы предотвращает слипание зерен, как это происходит в статической печи или на лотках. Это реальное преимущество данного типа сушилки перед более старыми методами сушки и одна из причин, по которой она несколько десятилетий назад заменила лотковые сушилки на многих предприятиях.

Заключение

Подготовить воздух, нагреть его, пропустить через сито, выложить на него сырой продукт, дать горячему воздуху удалить влагу, уловить пыль и в конце собрать высушенный материал. Каждый этап передает дело следующему, и любое слабое звено в этой цепочке сказывается на конечном продукте. На бумаге это несложно. Но делать это хорошо, партия за партией, требует большего внимания, чем ожидают большинство людей, впервые переступающих порог.

Ссылки:

Типы воздухораспределительных пластин в псевдоожиженном слое..

Сколько датчиков в сушилке с псевдоожиженным слоем (СПС): всё, что вам нужно знать.

Понимание принципа работы сушилки с псевдоожиженным слоем в фармацевтической инженерии.

Уведомление об авторских правах: 

Вы не имеете права воспроизводить, изменять, публиковать, показывать, передавать или каким-либо образом использовать любое содержимое данного сайта, а также использовать его для создания любой базы данных без предварительного письменного разрешения компании Finetech Group. Для получения разрешения на использование контента, пожалуйста, свяжитесь с: info@pharmamachinecn.com

Отказ от ответственности:

Информация, содержащаяся в данной статье, носит исключительно общий характер. Компания не гарантирует точность, актуальность, своевременность или полноту любой информации и не несет ответственности за ошибки или упущения в содержании данной статьи.