喷雾干燥
时间：2023-03-07
喷雾干燥是一种应用非常广泛的技术方法，用于干燥工业化学和食品工业中的水溶液或有机溶液、乳液等。奶粉、洗涤剂和染料只是目前可用的几种喷雾干燥产品。喷雾干燥可以用来保存食物，也可以简单地作为一种快速干燥方法，并具有使食物减重和缩减体积的优点。这是通过将饲料喷洒到热干燥介质中，将饲料从流体状态转变为干燥的颗粒形式。在过去的二十年中，经过深入的研究和开发，喷雾干燥已成为一种极具竞争力的干燥多种产品的方法。产品应用范围不断扩大，因此今天喷雾干燥与我们日常使用的许多东西都有联系。
2. 喷雾干燥的原理
通过机械作用，将需干燥的物料，分散成很细的像雾一样的微粒，（增大水分蒸发面积，加速干燥过程）与热空气接触，在瞬间将大部分水分除去，使物料中的固体物质干燥成粉末，然后将产品与空气分离。喷洒的混合物可以是溶胶、乳液、悬浮液或分散液。
2.1 将进料溶液雾化成小颗粒
喷雾干燥的整个过程基本上由四个过程组成：
雾化可通过压力式喷嘴、双流体喷嘴、旋转圆盘雾化器或超声波喷嘴实现。因此，可以使用不同种类的能量将液体分散成细颗粒。雾化器类型的选择取决于进料的性质和量以及干燥产品的期望特性。分散的能量越高，生成的液滴越小。
喷嘴和产品
示例：喷洒100 ml溶液，产生约8 x 108=800000000滴（25微米），代表约12 m2的表面面积。这清楚地表明溶液（主要是水）蒸发得非常快。
2.2 喷雾和干燥介质（空气）混合——一个传质传热的过程
喷雾接触干燥空气的方式是喷雾干燥器设计中的一个重要因素，因为这通过影响干燥过程中的液滴行为对干燥产品的性质有很大影响。混合方式是一个重要的考量因素，它定义了喷雾干燥的方法：
2.3 开放循环系统和封闭循环系统
空气主要用作干燥介质。空气流被电加热或在燃烧器中加热，并且在该过程之后排放到大气中。这是一个开放循环系统。如果加热介质被循环使用，通常是惰性气体，如氮气，这是一个封闭循环系统。当处理易燃溶剂、有毒产品或氧气敏感产品时，通常选择这些布局。最常见的喷雾干燥机类型是开式循环顺流喷雾干燥机。在这种设计中，雾化进料和干燥空气从同一方向同时注入喷雾干燥室。
2.4 喷雾干燥（水分蒸发）
一旦喷雾的液滴与干燥空气接触，就会从液滴表面迅速形成的饱和蒸汽膜蒸发。由于高比表面积和现有的温度和湿度梯度，强烈的传质传热过程导致高效的蒸发干燥。蒸发导致液滴冷却，从而导致小的热负荷。干燥室的设计和空气流速提供了液滴在干燥室中的停留时间，从而在产品温度上升到出口干燥空气温度之前完成所需的液滴水分去除并从干燥器中去除产品。这样，对产品造成热损坏的可能性很小。
2.4.1 产品和空气分离
原则上，使用两个系统将产品与干燥介质分离：
1. 干燥产物的一次分离在干燥室的底部进行
2. 分离设备中干燥产品的总回收率
最常见的分离设备是旋风分离器。基于惯性力，颗粒作为向下的应变被分离到旋风分离器壁并被移除。其他系统包括静电除尘器、织物（袋）过滤器或洗涤器等湿式收集器。
3. 常见应用
能被成功喷雾干燥的物料非常之多，在此仅列出一般原则
4. 应用
4.1 喷雾干燥
喷雾干燥适用于大多数水性或胶体溶液，适用于乳液和分散体，只要干燥后产品表现为固体。
喷雾干燥无机或有机产品示意图
使用双流体喷嘴将产物（A）的水溶液分散成极细的喷雾液滴（B）。溶液在产品周围立即蒸发，形成蒸汽云，保护产品免受热负荷。一旦超过临界浓度，成核开始，形成固体壳。水分从表面干燥后，界面进入芯部（干燥的第二步）。最终产物（C）是一种精细、无定形或结晶的材料。高浓缩的喷雾溶液会产生多孔的终产物。实际案例
| 产品 入口温度 ℃ 出口温度 ℃ 喷雾浓度% |
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食品 低脂牛奶 174 102 50 酵母 95 55 60 |
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香水/化妆品 啤酒浓缩液 150 110 30-40 橄榄叶提取物 150 90 36 |
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医疗/制药 血浆 180 100 5 多肽 110 70 2 |
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化工产品 分散染料 150 95 20 |
4.2 微粉化或结构变化
微粉化或结构变化是形态的变化，例如，如果需要细粉末。这对最终产物的溶解度或可测量性有积极影响。微粉化的主要优点是实现了非常规则的颗粒尺寸。
微粉化或结构变化过程示意图
将结晶产物（A）溶解在溶剂（B）中，并将该溶液（C）分散成小液滴（D）。结果是最终产品（E），就像喷雾干燥一节中描述的最终产品一样。
实际案例| 产品 入口温度 ℃ 出口温度 ℃ 喷雾浓度% |
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食品 乳糖 160 105 30 玉米淀粉 130 70 40 |
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香水/化妆品 金属皂 165 122 60 洗涤剂 200 110 40 |
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医疗/制药 果糖氨基酸 180 80 37 化合物的混合产物 |
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化工产品 碳酸钙 220 100 10 柠檬酸钠 160 90 20 |
4.3 微胶囊化
微胶囊化过程示意图
由待处理的液体产品（A）、载体物质（B）如麦芽糊精和成膜剂溶液（C）如阿拉伯树胶在水中形成乳液（D）。然后将该乳液雾化成小液滴（E）。溶剂蒸发，导致分散的第二相（F）周围的固体基质。结果是产物（A）的小液滴储存在载体物质（B）中并嵌入成膜剂（C）中。
实际案例
| 产品 入口温度 ℃ 出口温度 ℃ 喷雾浓度% |
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食品 麦芽糊精/明胶大豆油 150 90 30 |
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香水/化妆品 麦芽糊精/阿拉伯明胶中 150 90 35 的草莓香味1.5:1.5:3 |
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医疗/制药 麦芽糊精/阿拉伯树胶中 120 70 ca. 30 的瓜渣烯1:2:1 |
4.4 固体分散
固体分散过程示意图
蒸发过程类似于微胶囊过程，即使用固体材料代替液体产品。由待处理的产物（A）、基质（B）和最终具有额外成膜剂（C）的水形成溶液或分散体（D）。然后将该溶液雾化成小液滴（E）。基质和/或成膜剂导致悬浮颗粒的团聚或涂层（F）。
蒸发过程类似于微胶囊过程，即使用固体材料代替液体产品。由待处理的产物（A）、基质（B）和最终具有额外成膜剂（C）的水形成溶液或分散体（D）。然后将该溶液雾化成小液滴（E）。基质和/或成膜剂导致悬浮颗粒的团聚或涂层（F）。
实际案例
| 产品 入口温度 ℃ 出口温度 ℃ 喷雾浓度% |
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食品 乳糖中的转化糖 100 80 2 （枣浆）1:1 |
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香水/化妆品 低脂奶粉/葡萄糖/ 90 70 40 明胶中的链球菌1:1:1:3 |
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