Dans le processus de production de formes posologiques solides, les séchoirs à lit fluidisé sont des équipements fréquemment choisis. Les séchoirs à lit fluidisé offrent des avantages tels qu'un excellent transfert de chaleur, une capacité de production élevée, une répartition uniforme de la température, divers modes de fonctionnement, un temps de séjour des matériaux réglable, de faibles coûts d'investissement et une maintenance minimale.
Après plus de 30 ans d'utilisation et d'amélioration en Chine, ils ont démontré une position unique dans le domaine du séchage, et leur rôle important est de plus en plus évident dans les industries pharmaceutique, chimique et alimentaire.
1. Principe de fonctionnement, processus et caractéristiques des séchoirs à lit fluidisé
1.1 Principe de fonctionnement Les séchoirs à lit fluidisé, également appelés séchage à lit fluidisé, utilisent de l'air propre filtré. Grâce à l'échange thermique par convection dans un échangeur de chaleur, la température de l'air s'élève jusqu'à une certaine valeur avant d'entrer dans le conduit principal de distribution d'air. L'air est ensuite distribué par des vannes dans le séchoir à lit fluidisé, tandis que le matériau humide entre par le dispositif d'alimentation. En raison de la pression de l'air, le matériau entre dans un état d'ébullition dans le séchoir, assurant un contact suffisant entre l'air chaud et le matériau, améliorant le processus de transfert de chaleur et de masse et favorisant l'évaporation et la séparation de l'humidité dans le matériau en peu de temps. Après séchage, le matériau est évacué de l'orifice de décharge et les gaz d'échappement sont évacués par le haut du lit fluidisé. La poudre solide est récupérée par un dépoussiéreur à cyclone et un filtre à manches avant d'être rejetée dans l'atmosphère.
1.2 Flux de travail : Le matériau est transporté vers le lit fluidisé via un chariot à matériaux et scellé au lit par une bague d'étanchéité sous l'action d'un mécanisme de levage de cylindre. Ensuite, l'air, entraîné par un ventilateur à tirage induit, est purifié par un filtre, chauffé par un radiateur, puis distribué dans le lit fluidisé (chambre de séchage) via une plaque de répartition du flux d'air (écran). Le matériau dans la trémie forme un état fluidisé (c'est-à-dire un lit fluidisé) sous l'action de l'air chaud et de l'agitation. Dans le contact biphasé gaz-solide sur une grande surface, l'humidité (ou le solvant) à l'intérieur du matériau s'évapore en peu de temps et est emportée avec l'air évacué, séchant ainsi le matériau.
1.3 Caractéristiques techniques (1) Excellent effet de transfert de chaleur, température relativement uniforme à l'intérieur du lit, coefficient de capacité thermique élevé (ou coefficient de transfert de chaleur volumétrique) et grande capacité de production ; (2) Grâce à la répartition uniforme de la température au sein du lit fluidisé, toute surchauffe locale du produit peut être évitée, ce qui le rend particulièrement adapté au séchage de certains matériaux sensibles à la chaleur (comme le konjac, le polyacrylamide, etc.) ; (3) Un fonctionnement continu ou intermittent peut être effectué au sein du même équipement ; (4) Le temps de séjour du matériau dans le séchoir peut être ajusté selon les besoins, ce qui permet d'obtenir une teneur en humidité stable du produit ; (5) Armoire électrique indépendante et contrôle d'interface homme-machine PLC, intégrant tous les paramètres de séchage, garantissant un fonctionnement sûr et pratique ; (6) Moins de composants de transmission mécanique dans le dispositif de séchage, ce qui entraîne de faibles coûts d'investissement en équipement et une charge de travail de maintenance minimale.
2. Suggestions pour améliorer les séchoirs à lit fluidisé Après une application et un développement à long terme, les séchoirs à lit fluidisé ont connu des améliorations significatives en termes de structure et de performances, et leur qualité s'améliore constamment. Cependant, certains problèmes subsistent. Sur la base des pratiques de production, les suggestions d'amélioration suivantes sont proposées :
2.1 Suggestions pour améliorer l'utilisation insuffisante de la chaleur Les séchoirs à lit fluidisé sont, par essence, des équipements de séchage par convection d'air. Par rapport aux équipements de séchage par conduction, leur consommation d’énergie est en effet plus élevée. Cependant, avec certaines mesures, d'importantes économies d'énergie peuvent être réalisées. Suggestions : (1) Améliorer l’effet d’étanchéité de l’équipement. Actuellement, la plupart des trémies des séchoirs à lit fluidisé sont reliées au corps de l'équipement à l'aide de brides plates, ce qui entraîne une mauvaise étanchéité. Il est recommandé d'utiliser des brides à face surélevée dans la conception. De nombreux séchoirs à pompe importés utilisent des tuyaux en acier enroulés avec des ailettes pour l'échange thermique. Bien que les tuyaux en acier permettent de réduire les coûts des matériaux, leur effet d'échange thermique est médiocre. Il est recommandé d’utiliser plutôt des tuyaux en cuivre. (2) Augmenter les mesures d'isolation. Ajoutez une couche isolante à la coque extérieure de l'échangeur de chaleur pour réduire les pertes de chaleur. 2.2 Suggestions pour améliorer le dispositif de dépoussiérage
La condition de base pour un fonctionnement réussi en lit fluidisé est que le matériau présente un bon état de fluidisation, qui est maintenu par un filtre dépoussiéreur à haute efficacité. L’efficacité du dépoussiérage du filtre dépoussiéreur détermine en grande partie l’effet de fluidisation. Actuellement, les principales méthodes de dépoussiérage sont la collecte de poussière par agitation de sacs et la collecte de poussière par jet pulsé.
Suggestion : utilisez des raccords de serrage pour les sacs filtrants, sélectionnez des matériaux rigides qui ne se déforment pas facilement pour les tiges de suspension, et inspectez et remplacez régulièrement les sacs filtrants.
2.3 Suggestions pour améliorer la plaque de distribution du flux d'air (écran)
La plaque de distribution du flux d'air dans le séchoir à lit fluidisé a deux fonctions : soutenir la couche de matériau et assurer une distribution uniforme du gaz. La taille, la forme, le modèle de distribution et le rapport des orifices des ouvertures de la plaque de distribution ont tous un impact crucial sur la distribution du fluide. Une distribution inégale du gaz peut provoquer une « circulation » dans le lit fluidisé. Dans des cas extrêmes, cela peut conduire à une « canalisation » dans certaines zones tandis que d’autres restent stagnantes. Dans cette situation, la plupart des gaz court-circuitent à travers certains canaux du lit, ce qui aggrave considérablement le contact gaz-solide – une situation qui doit être évitée. Une plaque de distribution bien conçue devrait supprimer les irrégularités du lit. Autrement dit, lorsque la chute de pression diminue et que la vitesse du flux d'air augmente dans certaines zones du lit, la résistance générée par la plaque de distribution devrait être capable de supprimer l'augmentation du flux d'air, empêchant ainsi la détérioration de la fluidisation.
Actuellement, la plupart des séchoirs à lit fluidisé utilisent un seul type de plaque de distribution du flux d'air, souvent une plaque perforée verticale ou une plaque à mailles tissées. Cela conduit facilement à une fluidisation inégale ou à des zones mortes lors de la fluidisation du matériau, ne parvenant pas à garantir l'uniformité du médicament au sein des particules. De plus, la conception à perforation unique ne peut pas répondre aux exigences du processus de production de différents médicaments. D’autre part, pour réduire les fuites de médicaments, des structures maillées multicouches sont couramment utilisées. La plaque de distribution du flux d'air et le lit fluidisé sont souvent fixés avec de nombreux boulons, ce qui rend le démontage peu pratique, le nettoyage difficile et sujet à l'accumulation de résidus conduisant à une contamination croisée. Recommandation : Utiliser des modèles de dynamique des fluides assistés par ordinateur et des modèles de transfert de chaleur et de masse pour effectuer des calculs de simulation aérodynamique et thermodynamique et des vérifications sur des paramètres tels que l'espacement des trous, le diamètre des trous et le rapport de surface ouverte lors de la conception de la plaque de distribution du flux d'air, afin de répondre aux exigences du processus de production de différents matériaux. Concernant l'installation, la méthode de connexion doit être détachable pour garantir une installation rapide et un nettoyage en profondeur.
2.4 Recommandations pour améliorer le traitement de l'air d'admission
Les prises d'air chaud sont généralement situées dans le local des équipements auxiliaires, installées avec les appareils de chauffage et les silencieux. Le local des équipements auxiliaires et la zone propre ne disposent pas de portes ni de fenêtres directes. Le niveau de pureté de l’air dans la salle des équipements auxiliaires est souvent relativement faible, ce qui affectera la qualité de l’air chaud pharmaceutique. Cela nécessite que l'équipement lui-même soit doté d'un bon dispositif de purification ; sinon, l'air non purifié contaminera les médicaments, ce qui rendra difficile le respect des exigences BPF.
Actuellement, de nombreux systèmes d'équipement domestique configurent leurs centrales de traitement d'air comme suit : pré-filtre – filtre à moyenne efficacité – chauffage à vapeur (ou chauffage électrique) – filtre (sous) haute efficacité. Bien que le système de traitement de l'air soit équipé de préfiltres, de filtres moyens et de filtres à haute efficacité, les filtres à haute efficacité peuvent se boucher ou s'endommager avec le temps. Actuellement, la nécessité d’un remplacement ne peut être déterminée que visuellement, sans fondement théorique. Un remplacement prématuré augmente les coûts, tandis qu'un remplacement tardif risque de détériorer la qualité de l'air, affectant ainsi la qualité des produits. Recommandation : ajouter des affichages de pression différentielle avant et après les filtres à haute efficacité, déclenchant une alarme pour inciter au remplacement lorsque la pression différentielle atteint une certaine valeur.
De plus, la plupart des équipements ne disposent pas de dispositifs de déshumidification, ce qui entraîne des problèmes persistants de déshumidification de l'air, en particulier à la fin du printemps et en été, lorsque l'humidité est élevée. Le fait de ne pas déshumidifier peut avoir un impact significatif sur le séchage des matériaux. Recommandation : Ajouter des appareils de déshumidification.
De nombreux appareils ne disposent pas d'un système coordonné entre le ventilateur à tirage induit et le registre, ce qui peut provoquer un reflux d'air entre l'arrêt du ventilateur et la fermeture du registre. Recommandation : Lier le démarrage/arrêt du ventilateur à l'ouverture et à la fermeture du registre. Le registre doit s'ouvrir simultanément lorsque le ventilateur démarre et se fermer de manière synchrone lorsque le ventilateur s'arrête pour empêcher le reflux d'air. 2.5 Suggestions pour améliorer l'intégration de l'équipement et du processus de production
Un déroulement du processus de séchage et une conception d'équipement déraisonnables peuvent entraîner des pertes d'énergie importantes. Pour résoudre complètement ces problèmes, une étude systématique des caractéristiques de séchage du produit est nécessaire pour déterminer les paramètres optimaux du processus de séchage, comme l'étude des propriétés du matériau séché. Les propriétés du matériau lui-même sont le facteur le plus important affectant le séchage ; la forme, la taille, l'épaisseur de l'emballage, la méthode de fixation de l'humidité et les propriétés chimiques du matériau affectent tous la vitesse de séchage. À l'exception de quelques entreprises nationales, la plupart des fabricants d'équipements ne comprennent pas la technologie des processus de formulation et ne disposent pas des conditions nécessaires pour mener des expériences de processus. Leur compréhension des conditions d'utilisation de divers matériaux est également insuffisante, ce qui entraîne une recherche et un développement insuffisants et des difficultés dans le développement de nouveaux produits.
2.6 Suggestions pour améliorer le système de contrôle
Actuellement, les paramètres de fonctionnement des équipements à lit fluidisé sont généralement définis en fonction de l'expérience de l'opérateur. Cependant, il est tout à fait possible de réaliser un contrôle et une traçabilité intelligents des paramètres du procédé. Cela impose des exigences plus élevées au système de commande électrique des équipements à lit fluidisé. Dans les systèmes de contrôle électrique, une série de dispositifs sont nécessaires pour détecter la température, l'humidité, la pression, la pression différentielle, la vitesse du vent, la durée de fonctionnement, la concentration de poussière, etc., et obtenir des données de base. Ces données sont ensuite transmises et stockées sur un écran tactile via des émetteurs. L'écran tactile stocke et analyse les données, puis formule un itinéraire de processus approprié pour obtenir un contrôle intelligent.
2.6.1 Contrôle de la température
Les méthodes courantes de contrôle du chauffage à air chaud utilisent un simple mode « marche » et « arrêt ». Lorsque la température atteint la valeur réglée, l'alimentation en vapeur s'arrête, mais l'échangeur thermique conserve encore de la chaleur résiduelle, ce qui fait que la température de l'air continue d'augmenter, et vice versa. Cela entraîne des fluctuations de température excessives, affectant la qualité de séchage de l'équipement. Recommandation : Maintenir la température de l'air d'entrée en contrôlant le débit de vapeur. Dans un premier temps, le débit de vapeur doit être plus élevé pour rapprocher rapidement la température de l'air d'entrée de la valeur réglée. Ensuite, le débit de vapeur doit être automatiquement ajusté pour se rapprocher progressivement de la valeur définie, et enfin, un débit de vapeur stable doit être maintenu pour maintenir la température de l'air d'entrée stable. 2.6.2 Contrôle du débit d'air
La plupart des équipements de contrôle du débit d'air utilisent une régulation de vitesse par conversion de fréquence, mais manquent d'éléments de mesure du débit d'air. Pendant la production, le débit d'air ne peut être réglé que manuellement en fonction de l'état de fluidisation du matériau, ne parvenant ainsi pas à garantir un débit d'air stable et relativement constant. Les changements dans la composition du matériau et la résistance du sac filtrant peuvent affecter la stabilité du flux d’air, ce qui à son tour affecte la vitesse de séchage. Recommandation : installez des éléments de mesure du débit d'air dans le conduit d'entrée d'air pour un contrôle automatique, en ajustant automatiquement la fréquence en fonction du volume du débit d'air afin de maintenir un débit d'air relativement constant pendant la production.
2.6.3 Détection d'humidité en ligne
Ajoutez un appareil de détection d'humidité en ligne. Cela permet aux utilisateurs d'ajuster les paramètres en fonction des conditions réelles, améliorant ainsi l'efficacité du séchage.
2.6.4 Répétabilité et traçabilité du processus de séchage en lit fluidisé
En production réelle, les opérateurs doivent réinitialiser et modifier les paramètres de processus de l'équipement pour chaque cycle de production. Cela rend impossible la garantie que le même produit est fabriqué en utilisant les mêmes paramètres de processus d'équipement, compromettant ainsi la traçabilité. Selon les BPF, l'équipement est nécessaire pour stocker un certain nombre de paramètres du processus de production afin de garantir la répétabilité et la traçabilité de la production. Chaque utilisateur le définit en fonction du nombre de variétés de produits. Les séchoirs à lit fluidisé nécessitent généralement la capacité de stocker 50 processus de production, mais la plupart des équipements produits localement ne peuvent actuellement pas y parvenir. Il est recommandé d'améliorer et d'étendre le système de contrôle PLC et les actionneurs mécaniques pour rendre les fonctions plus complètes. Par exemple, une mémoire suffisante doit être fournie pour stocker plusieurs processus de production, offrant l'impression des paramètres sur site, la sauvegarde des données et la connexion des données à un PC.
3. Conclusion
Cet article commence par le principe de fonctionnement des séchoirs à lit fluidisé, résume certains problèmes du processus de production en fonction des paramètres de fonctionnement du processus et propose brièvement des suggestions pour améliorer ce type d'équipement. On espère que les fabricants d'équipements pourront développer davantage d'équipements de séchage pharmaceutique répondant aux exigences des processus de production pharmaceutique, dotés de paramètres de performance avancés, hautement opérationnels, respectueux de l'environnement, économes en énergie et dotés d'indicateurs économiques et techniques avancés.