一种药用螺旋流化床制粒装置

1.本发明涉及技术领域，特别是涉及一种药用螺旋流化床制粒装置。


背景技术：

2.在制药工业里，流化床是颗粒干燥、混合、包衣和制粒过程中运用最广泛的反应器。流化床制粒过程是药物生产的关键性工序，为后续的压片工序提供符合压片颗粒标准的颗粒物料。
3.在现有流化床系统仍然存在高压降、颗粒停留时间短和高能耗的问题。因此，设计药用螺旋流化床制粒装置、系统地探究流化床中的气固流场分布，优化其几何结构和运行工况，探索其中的颗粒干燥过程，对保证工业生产中的产品质量，避免颗粒聚团及非均匀包衣现象的产生，提高工业生产效率具有很好的指导意义。
4.现市面上应用的流化床大概可以分为三类：顶喷流化床、侧喷流化床、底喷流化床，这些传统的药用流化床反应器在工作过程中都普遍存在以下缺点：
5.1.在热空气的作用下易蒸发，影响衣膜的均匀性。喷口与物料之间的距离较远，液滴的行程长，易出现喷雾干燥现象。
6.2.侧面强烈的碰撞和摩擦容易破坏衣膜质量。
7.3.侧喷由于底部转盘在不断快速转动，在与颗粒碰撞后会造成颗粒或者包衣层的破裂。
8.4.物料在流化床中的运动随机、杂乱无章，每个粉粒接触液滴的机会不同，所制颗粒脆碎度高、孔隙率大。
9.5.导流筒内外产生压差的时间里，大量物料处于堆积状态，质粒效率不高。
10.分析现有药用流化床的不足之处发现，现有流化床系统仍缺乏降低高压降和保持高效能耗的能力。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种药用螺旋流化床制粒装置，以提高流态化质量，在颗粒停留时间、流量系数和能耗等方面有较好的效果。
12.本发明的目的是这样实现的：
13.一种药用螺旋流化床制粒装置，包括呈筒状的床体，所述床体内从下到上依次设置有进气室、干燥室、颗粒下降室和排风室，
14.所述排风室用于连接引风机，所述进气室用于吸入热风，并使床体内形成负压；
15.所述床体的内壁为螺旋导流筒，所述螺旋导流筒具有若干沿竖向均匀设置的螺旋延伸的螺旋流道，所述床体内对应螺旋流道安装有若干喷枪，所述喷枪的喷出口朝向对应螺旋流道的下端，用于向螺旋流道喷出颗粒包衣所用的雾化包衣液，螺旋流道用于使颗粒和雾化包衣液均匀分散在床体内，
16.所述进气室、干燥室之间设置环形阵列式倾斜叶片布风板，环形阵列式倾斜叶片
布风板的相邻倾斜叶片之间具有供热风通过的空间，所述螺旋流道与环形阵列式倾斜叶片布风板倾斜相交，使得雾化液滴和颗粒螺旋上升，所述环形阵列式倾斜叶片布风板的中心部位设有中心锥，热风通过环形阵列式倾斜叶片布风板后形成旋流，带动颗粒螺旋上升，所述进气室为圆筒状，其下端开口用于吸入热风，所述干燥室的内径从下到上逐渐增大，干燥室用于实现颗粒流态化，并作为颗粒干燥和沉降空间，所述颗粒下降室为圆筒状，所述排风室的内径从下到上逐渐减小，颗粒在颗粒下降室内由于压差和重力的影响往下掉落，掉落速度大于最小旋流速度，颗粒处于旋流态，并掉落至中心锥处，之后颗粒从中心锥上滑落，再次在旋流的作用下螺旋上升，实现连续循环包衣的效果；
17.干燥作业时，首先使用真空上料机把颗粒加入到流化床内，堆积在环形阵列式倾斜叶片布风板上，打开引风机使流化床内形成负压，热风从进气室进入后，穿过环形阵列式倾斜叶片布风板，热风产生旋流，颗粒形成旋流态并上升到干燥室内，颗粒螺旋上升与热风换热，热风把水分带走，颗粒实现干燥；
18.包衣作业时，多个喷枪喷洒的雾化包衣液在螺旋导流筒内与颗粒融合，调整中心锥高度至干燥室，使干燥室中心产生压差，颗粒在下降室内由于压差和重力的影响开始往下掉落，但掉落的速度仍大于最小旋流速度，颗粒仍处于旋流态，掉落至中心锥处，经布风板离心向上作用又回到之前包衣的螺旋导流筒内，实现连续循环包衣的效果；多余的空气从排风室排出。
19.优选地，对颗粒进行受力分析：
20.(1)曳力：气流对颗粒产生阻力，这个阻力虽然是颗粒的原始动力，但能拖动颗粒往上运动，
[0021][0022]
式中cd为曳力系数，d为包衣颗粒的直径，ρ为流体密度，u为速度，下标g代表气体，p代表颗粒，
[0023]
(2)magnus升力：
[0024][0025]
其中，为颗粒迎风面面积，c
l
为升力系数，c
l
＝2k，式中，为颗粒表面速度与气流的相对速度之比，
[0026]
(3)重力与浮力为一组平衡力：
[0027][0028][0029]
单位质量颗粒所受重力和浮力综合表达如下：
[0030][0031]
颗粒最小流态化速度计算：
[0032]
根据表观气相和压差的关系：
[0033][0034]
式中，δp是具有h高度的床层上下两端1压降，n；ε是床层的空隙率；dv是单一粒径颗粒的等体积当量直径，m；u是表观气速，m/s，μ为流态化速度，
[0035]
流化床的流体压降等于单位截面积上所含有的颗粒和流体的总质量:
[0036]
δp＝[ρ
p
(1-ε
mf
)+ρfε
mf
]gh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-7)
[0037]
式中，ε
mf
为颗粒体积分数，
[0038]
继续增加表观气速将导致床层压降不断增加，直到床层压降等于单位床层截面积上的颗粒重量，此时由于流体流动带给颗粒的曳力平衡颗粒重量，导致颗粒被悬浮，开始进入流化状态，相应的表观气速即为最小流化速度，联立(2-6)和(2-7)得到最小流化速度μ
mf
为：
[0039][0040]
优选地，所述环形阵列式倾斜叶片布风板包括上气体分布板、下气体分布板，所述上气体分布板、下气体分布板上对应设有环形阵列式倾斜叶片，上气体分布板、下气体分布板之间设有过流间隙，过流间隙阻止颗粒通过，上气体分布板固定在床体上，下气体分布板通过螺纹旋进机构实现旋转升降，以控制出风的流量和流速。
[0041]
优选地，布风板径向外端设有多个过风孔，当进气室的热风通过过风孔时，向上的气流阻断颗粒与床体的内壁碰撞。
[0042]
优选地，所述中心锥内带有气动升降装置，用于控制锥体上升和下降。
[0043]
优选地，所述环形阵列式倾斜叶片布风板上对应喷枪设有安装孔。
[0044]
优选地，床体的边缘处设有助旋孔，气流通过助旋孔产生压差，带动颗粒产生旋转，并减少颗粒与壁面的碰撞。
[0045]
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
[0046]
本发明结合侧喷流化床在喷液区域喷雾与颗粒高度集中、底喷流化床制粒均匀性高等优势，配置了进气室、环形阵列式倾斜叶片布风板、若干喷枪、中心锥、干燥室、螺旋导流筒、颗粒下降室和引风室。多个叶片在中心锥的外周呈圆周分布，组成环形阵列式倾斜叶片布风板，替代了传统的席网叠加的方式，热风能够通过任意相邻两个倾斜叶片，倾斜叶片组合在一起后能够有效控制出风的流量以及流速，并使热风产生旋流，均衡分布在布风板的平面，大大提升热风的均匀性和流动效果。旋流还可以使得物料和热空气更加充分的接触，提升干燥效率。任意相邻的两个倾斜叶片之间具有间隙，这个间隙形成的高度差可以有效地防止物料逆流向进气室内，有效避免塌床的发生。中心锥可使布风板到床自由表面中空气的表面速度持续下降，并消除床体中心的“死区”。床体内数个螺旋上升的导流筒，通过
布风板注入气体，可使床内颗粒的做螺旋上升运动。喷枪与导流筒形成一定角度配合，气流通道能够满足大部分风量的通过，原料由于气流的加速而上升，喷枪中的辅料液呈放射状朝颗粒喷射，强气流的作用使得颗粒能够高度的与包衣材料充分接触，达到包衣的目的。
[0047]
药用螺旋流化床制粒装置可以克服粉状物料包衣粘连或桥架现象严重的问题，颗粒在导流筒内与喷雾均与混合，实现干燥、制粒、包衣等效果。
附图说明
[0048]
图1a-图1d为本发明的结构示意图；
[0049]
图2为药用螺旋流化床制粒装置内颗粒流线图；
[0050]
图3为药用螺旋流化床制粒装置内颗粒干燥螺旋上升(55.12s)示意图；
[0051]
图4为药用螺旋流化床制粒装置内颗粒下降(89.26s)示意图；
[0052]
图5为药用螺旋流化床制粒装置内颗粒落至中心锥处(103.56s)示意图；
[0053]
图6为药用螺旋流化床制粒装置内颗粒连续干燥(128.38s)示意图。
具体实施方式
[0054]
参见图1a-图6，为一种药用螺旋流化床制粒装置的实施例，该流化床制粒装置主要是由八个部分组成：进气室1、环形阵列式倾斜叶片布风板2、若干喷枪3、中心锥4、干燥室5、螺旋导流筒6(各室的内壁设置)、颗粒下降室7和排风室8，其结构如图1a-图1d所示。
[0055]
(1)进气室
[0056]
热风从进气室1进入，使流化床内形成负压。
[0057]
(2)环形阵列式倾斜叶片布风板
[0058]
流化床底部的环形阵列式倾斜叶片布风板2，突破了传统的喷嘴结构。所述环形阵列式倾斜叶片布风板包括上气体分布板211、下气体分布板212，所述上气体分布板211、下气体分布板212上对应设有环形阵列式倾斜叶片，上气体分布板211固定在床体上，下气体分布板212通过螺纹旋进机构实现升降，上气体分布板211、下气体分布板212之间设有过流间隙，通过下气体分布板旋进量控制间隙大小，以控制出风的流量和流速。即下气体分布板212的中部上端设有螺柱，上气体分布板211的下端(对应中心锥)设有螺孔，常态下，上气体分布板211、下气体分布板212上的供热风通过的空间错位，通过过流间隙排风，过流间隙同时阻止颗粒通过(有热风的力)，通过螺旋运动调节过流间隙的大小，进而调节风速、风量。实现使得流化床内部的雾化气体运动的可控性增强，改善分布板的压力降，增强流化效果，减小系统能耗，流化气体均匀分布。多个倾斜叶片在中心锥的外周呈圆周阵列分布，组成环形阵列式倾斜叶片布风板的上气体分布板211、下气体分布板212，替代了传统的席网叠加的方式，热风能够通过任意相邻两个倾斜叶片，倾斜叶片组合在一起后能够有效控制出风的流量以及流速，并使热风产生旋流，均衡分布在布风板的平面，大大提升热风的均匀性和流动效果。
[0059]
布风板周围有多个过风孔10，当进气室的热风通过小孔时，向上的气流可以阻断颗粒与壁面的碰撞。该结构可以减少颗粒堆积至底层的现象，减少颗粒与壁面碰撞，避免了一部分颗粒存在死角，大大提高了包衣、制粒等效率。
[0060]
(3)中心锥
[0061]
中心锥4内带有气动升降装置411，可控制锥体412上升和下降；中心锥一方面可使布风板到床自由表面中空气的表面速度持续下降，消除床体中心的“死区”，使上升后的颗粒回落至布风板周围。另一方面设计可调高度的中心锥，可控制颗粒下降的距离，达到将气体引流与隔离的效果，使得颗粒运动轨迹规律且减少颗粒间的碰撞摩擦，降低颗粒的损耗。本实施例中，中心锥4采用双筒间隙配合结构(类似液压缸)配合气缸(固定在内筒上)带动锥体412(位于外筒顶部)升降。当然，也可以采用其他各种升降结构。
[0062]
(4)干燥室
[0063]
干燥室5位于螺旋导流筒6中间，主要实现颗粒呈流态化，是颗粒干燥和沉降后的主要场所。
[0064]
(5)螺旋导流筒
[0065]
螺旋导流筒6与分布板形成一定倾角，使得喷出的雾化气体达到螺旋上升的效果，从而雾化气体均匀分布至空间的每个角落，大大提高了颗粒运动轨迹的稳定性。底部有多个喷枪3，用于喷洒雾体，每个喷枪对应一个螺旋流道。结构如图1a所示，整个导流筒分为内外两部分，内里部分为干燥室，外面部分为锥形导流筒，边缘处设有助旋孔11，有助于颗粒旋转。
[0066]
整个工作过程：分布板吹出气体将堆积至底部的颗粒沿着螺旋上升的内壁吹起，同时底部三个喷枪喷出包衣所用的雾化液滴，将颗粒进行包衣。颗粒完成包衣且经过干燥后通过螺旋运动的轨迹至圆柱分离室，分离室中通过中心锥调节包衣流量，控制颗粒掉落的位置，继而进行下一个循环。
[0067]
(6)颗粒下降室
[0068]
颗粒在颗粒下降室7内由于压差和重力的影响开始往下掉落，但掉落的速度仍大于最小旋流速度，颗粒仍处于旋流态，掉落至中心锥处，经布风板离心向上作用又回到之前包衣的螺旋导流筒内，实现连续循环包衣的效果。
[0069]
二、原理说明
[0070]
1.对颗粒进行受力分析：
[0071]
(1)曳力：气流对颗粒产生阻力，这个阻力虽然是颗粒的原始动力，但能拖动颗粒往上运动。
[0072][0073]
式中cd为曳力系数，d为包衣颗粒的直径，ρ为流体密度，u为速度，下标g代表气体，p代表颗粒。
[0074]
(2)magnus升力：
[0075][0076]
其中，为颗粒迎风面面积。
[0077]
(3)重力与浮力：
[0078]
[0079][0080]
g为重力加速度，单位质量颗粒所受重力和浮力可以综合表达如下：
[0081][0082]
2.颗粒最小流态化速度计算：
[0083]
根据表观气相和压差的关系：
[0084][0085]
式中，δp是具有h高度的床层上下两端1压降，n；ε是床层的空隙率；dv是单一粒径颗粒的等体积当量直径，m；u是表观气速，m/s。
[0086]
流化床的最基本特征是流体压降等于单位截面积上所含有的颗粒和流体的总质量:
[0087]
δp＝[ρ
p
(1-ε
mf
)+ρfε
mf
]gh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-7)
[0088]
继续增加表观气速将导致床层压降不断增加，直到床层压降等于单位床层截面积上的颗粒重量。此时由于流体流动带给颗粒的曳力平衡颗粒重量，导致颗粒被悬浮，开始进入流化状态，相应的表观气速即为最小流化速度，联立(2-6)和(2-7)可得最小流化速度μ
mf
为：
[0089][0090]
三、动作关系
[0091]
干燥作业时，首先使用真空上料机把颗粒加入到流化床内，打开引风机将流化床内形成负压，热风从进气室进入后，穿过环形阵列式倾斜叶片布风板，热风产生旋流，颗粒形成旋流态并上升到螺旋流导流筒6；在多个导流筒内，颗粒螺旋上升与热风交换，把水份带走，颗粒实现干燥；
[0092]
包衣作业时，环形阵列式倾斜叶片布风板中的多个喷枪喷洒的包衣液在螺旋导流筒内与颗粒融合并持续这个过程，调整中心锥高度，使导流筒中心产生压差，颗粒在下降室内由于压差和重力的影响开始往下掉落，但掉落的速度仍大于最小旋流速度，颗粒仍处于旋流态，掉落至中心锥处，经布风板离心向上作用又回到之前包衣的螺旋导流筒内，实现连续循环包衣的效果；多余的空气从排风室8排出。
[0093]
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。