В процессе производства твердых лекарственных форм часто выбирают сушилки с псевдоожиженным слоем. Сушилки с псевдоожиженным слоем обладают такими преимуществами, как отличная теплопередача, высокая производительность, равномерное распределение температуры, разнообразные режимы работы, регулируемое время пребывания материала, низкие инвестиционные затраты и минимальное техническое обслуживание.
После более чем 30 лет использования и совершенствования в Китае они продемонстрировали уникальное положение в области сушки, и их важная роль становится все более очевидной в фармацевтической, химической и пищевой промышленности.
1. Принцип работы, процесс и характеристики сушилок с псевдоожиженным слоем.
1.1 Принцип работы В сушилках с псевдоожиженным слоем, также известных как сушка в псевдоожиженном слое, используется отфильтрованный чистый воздух. За счет конвективного теплообмена в теплообменнике температура воздуха повышается до определенного значения перед входом в основной воздухораспределительный канал. Затем воздух распределяется с помощью клапанов в сушилку с псевдоожиженным слоем, а влажный материал поступает из питателя. Под давлением воздуха материал переходит в состояние кипения внутри сушилки, обеспечивая достаточный контакт между горячим воздухом и материалом, усиливая процесс тепло- и массообмена, а также способствуя испарению и отделению влаги в материале в течение короткого времени. После сушки материал выгружается из выпускного отверстия, а выхлопной газ выводится из верхней части псевдоожиженного слоя. Твердый порошок улавливается циклонным пылесборником и рукавным фильтром перед выбросом в атмосферу.
1.2 Рабочий процесс: Материал транспортируется в псевдоожиженный слой с помощью тележки для материала и герметизируется со слоем с помощью уплотнительного кольца под действием подъемного механизма цилиндра. Затем воздух, приводимый в действие вытяжным вентилятором, очищается фильтром, нагревается радиатором, а затем распределяется в кипящий слой (сушильную камеру) через пластину распределения воздушного потока (экран). Материал в бункере образует псевдоожиженное состояние (т.е. псевдоожиженный слой) под действием горячего воздуха и перемешивания. При двухфазном контакте газа и твердого тела большой площади влага (или растворитель) внутри материала испаряется за короткое время и уносится с отходящим воздухом, тем самым высушивая материал.
1.3 Технические характеристики (1) Отличный эффект теплопередачи, относительно равномерная температура внутри слоя, высокий коэффициент теплоемкости (или объемный коэффициент теплопередачи) и большая производственная мощность; (2) Благодаря равномерному распределению температуры внутри псевдоожиженного слоя можно избежать любого локального перегрева продукта, что делает его особенно подходящим для сушки некоторых термочувствительных материалов (таких как конжак, полиакриламид и т. д.); (3) Одно и то же оборудование может работать в непрерывном или прерывистом режиме; (4) Время пребывания материала в сушилке можно регулировать по мере необходимости, что приводит к стабильному содержанию влаги в продукте; (5) Независимый электрический шкаф и человеко-машинный интерфейс ПЛК, объединяющий все настройки параметров сушки, обеспечивающий безопасную и удобную работу; (6) Меньшее количество компонентов механической трансмиссии в сушильном устройстве, что приводит к низким инвестиционным затратам на оборудование и минимальной нагрузке на техническое обслуживание.
2. Предложения по совершенствованию сушилок с псевдоожиженным слоем. После длительного применения и разработки сушилки с псевдоожиженным слоем значительно улучшились в конструкции и производительности, а их качество постоянно улучшается. Однако некоторые проблемы все еще существуют. На основании производственной практики предложены следующие предложения по совершенствованию:
2.1 Предложения по улучшению использования недостаточного тепла Сушилки с псевдоожиженным слоем, по сути, представляют собой сушильное оборудование с воздушной конвекцией. По сравнению с оборудованием для кондуктивной сушки их энергопотребление действительно выше. Однако при определенных мерах можно добиться значительной экономии энергии. Предложения: (1) Улучшите уплотняющий эффект оборудования. В настоящее время большинство бункеров сушилок с псевдоожиженным слоем соединены с корпусом оборудования с помощью плоских фланцев, что приводит к плохой герметизации. В конструкции рекомендуется использовать фланцы с выступом. Во многих импортных насосных сушилках для теплообмена используются стальные трубы с ребрами. Хотя стальные трубы могут сэкономить материальные затраты, их эффект теплообмена невелик. Вместо них рекомендуется использовать медные трубы. (2) Увеличьте меры по изоляции. Добавьте изоляционный слой на внешнюю оболочку теплообменника, чтобы уменьшить потери тепла. 2.2 Предложения по усовершенствованию пылеулавливающего устройства
Основным условием успешной работы в псевдоожиженном слое является наличие у материала хорошего состояния псевдоожижения, которое поддерживается высокоэффективным фильтром-пылесборником. Эффективность удаления пыли фильтром-пылесборником во многом определяет эффект псевдоожижения. В настоящее время основными методами удаления пыли являются сбор пыли встряхиванием мешков и сбор пыли импульсной струей.
Предложение: используйте зажимные соединения для фильтрующих мешков, выбирайте для подвесных стержней жесткие материалы, которые трудно деформируются, и регулярно проверяйте и заменяйте фильтрующие мешки.
2.3 Предложения по улучшению пластины распределения воздушного потока (экрана)
Пластина распределения воздушного потока в сушилке с псевдоожиженным слоем выполняет две функции: поддерживает слой материала и обеспечивает равномерное распределение газа. Размер, форма, схема распределения и соотношение отверстий распределительной пластины оказывают решающее влияние на распределение жидкости. Неравномерное распределение газа может вызвать «циркуляцию» внутри псевдоожиженного слоя. В крайних случаях это может привести к «направлению» в некоторых областях, в то время как другие области остаются в застое. В этой ситуации большая часть газа замыкается через определенные каналы в слое, что значительно ухудшает контакт газ-твердое тело – ситуации, которой следует избегать. Хорошо спроектированная распределительная пластина должна сглаживать неровности в слое. То есть, когда перепад давления уменьшается и скорость воздушного потока увеличивается в определенных областях слоя, сопротивление, создаваемое распределительной пластиной, должно быть в состоянии подавить увеличение воздушного потока, предотвращая тем самым ухудшение псевдоожижения.
В настоящее время в большинстве сушилок с псевдоожиженным слоем используется один тип пластины для распределения воздушного потока, часто это вертикальная перфорированная пластина или пластина из плетеной сетки. Это легко приводит к неравномерному псевдоожижению или мертвым зонам во время псевдоожижения материала, что не позволяет обеспечить однородность лекарственного средства внутри частиц. Кроме того, конструкция с одной перфорацией не может удовлетворить требования производственного процесса различных лекарств. С другой стороны, для уменьшения утечки лекарственного средства обычно используются многослойные сетчатые конструкции. Пластина распределения воздушного потока и псевдоожиженный слой часто фиксируются многочисленными болтами, что затрудняет разборку, затрудняет очистку и способствует накоплению остатков, приводящему к перекрестному загрязнению. Рекомендация: Используйте компьютерные модели гидродинамики и модели тепло- и массопереноса для выполнения аэродинамических и термодинамических расчетов и проверок таких параметров, как расстояние между отверстиями, диаметр отверстий и соотношение открытых площадей, во время проектирования пластины распределения воздушного потока, чтобы удовлетворить требования производственного процесса из различных материалов. Что касается установки, способ подключения должен быть разъемным, чтобы обеспечить быструю установку и тщательную очистку.
2.4 Рекомендации по улучшению очистки всасываемого воздуха
Воздухозаборники горячего воздуха обычно располагаются в помещении вспомогательного оборудования, устанавливаются вместе с нагревательными приборами и глушителями. Помещение вспомогательного оборудования и чистая зона не имеют прямых дверей и окон. Уровень чистоты воздуха в помещении вспомогательного оборудования часто бывает относительно низким, что влияет на качество горячего воздуха для фармацевтических предприятий. Для этого необходимо, чтобы само оборудование имело хорошее очистное устройство; в противном случае неочищенный воздух будет загрязнять лекарства, что затруднит соблюдение требований GMP.
В настоящее время многие системы бытового оборудования скомпонуют свои приточно-вытяжные установки следующим образом: фильтр предварительной очистки — фильтр средней эффективности — паровой нагрев (или электрический нагрев) — (суб)фильтр высокой эффективности. Хотя система обработки воздуха оснащена фильтрами предварительной очистки, фильтрами средней мощности и высокоэффективными фильтрами, высокоэффективные фильтры со временем могут засориться или повредиться. В настоящее время необходимость замены можно определить только визуально, не имея теоретической базы. Преждевременная замена увеличивает затраты, а отложенная замена может привести к ухудшению качества воздуха, что повлияет на качество продукции. Рекомендация: Добавьте индикаторы перепада давления до и после высокоэффективных фильтров, которые будут активировать сигнал тревоги, подсказывающий о необходимости замены, когда перепад давления достигнет определенного значения.
Кроме того, в большинстве оборудования отсутствуют устройства для осушения, что приводит к постоянным проблемам с осушением воздуха, особенно поздней весной и летом, когда влажность высока. Отсутствие осушения может существенно повлиять на высыхание материала. Рекомендация: Добавьте устройства для осушения.
Во многих устройствах отсутствует скоординированная система между вытяжным вентилятором и заслонкой, что потенциально может вызвать обратный поток воздуха между выключением вентилятора и закрытием заслонки. Рекомендация: Свяжите запуск/остановку вентилятора с открытием и закрытием заслонки. Заслонка должна открываться одновременно при запуске вентилятора и синхронно закрываться при его остановке, чтобы предотвратить обратный поток воздуха. 2.5 Предложения по улучшению интеграции оборудования и производственного процесса
Необоснованная схема процесса сушки и конструкция оборудования могут привести к значительным потерям энергии. Для комплексного решения этих задач необходимо систематическое исследование особенностей сушки продукта для определения оптимальных параметров процесса сушки, например изучение свойств высушиваемого материала. Свойства самого материала являются важнейшим фактором, влияющим на сушку; Форма, размер, толщина упаковки, метод связывания влаги и химические свойства материала влияют на скорость высыхания. За исключением нескольких отечественных компаний, у большинства производителей оборудования отсутствует понимание технологии рецептурного процесса и необходимых условий для проведения технологических экспериментов. Их понимание условий использования различных материалов также недостаточно, что приводит к недостаточным исследованиям и разработкам, а также к трудностям в разработке новых продуктов.
2.6 Предложения по совершенствованию системы управления
В настоящее время рабочие параметры оборудования с псевдоожиженным слоем обычно устанавливаются на основе опыта оператора. Однако вполне возможно добиться интеллектуального управления и отслеживания параметров процесса. Это предъявляет повышенные требования к электрической системе управления оборудованием кипящего слоя. В системах электрического управления необходим ряд устройств для определения температуры, влажности, давления, перепада давления, скорости ветра, времени работы, концентрации пыли и т. д. и получения основных данных. Затем эти данные передаются и сохраняются на сенсорном экране через передатчики. Сенсорный экран сохраняет и анализирует данные, а затем формирует подходящий маршрут процесса для достижения интеллектуального управления.
2.6.1 Контроль температуры
Обычные методы управления отоплением горячим воздухом используют простой режим «включения» и «выключения». Когда температура достигает заданного значения, подача пара прекращается, но теплообменник все еще имеет остаточное тепло, в результате чего температура воздуха продолжает расти, и наоборот. Это приводит к чрезмерным колебаниям температуры, влияющим на качество сушки оборудования. Рекомендация: Поддерживайте температуру входящего воздуха, контролируя скорость потока пара. Первоначально скорость потока пара должна быть выше, чтобы быстро приблизить температуру приточного воздуха к заданному значению. Затем скорость потока пара должна автоматически регулироваться, чтобы постепенно приближаться к заданному значению, и, наконец, следует поддерживать стабильную скорость потока пара, чтобы поддерживать стабильную температуру воздуха на входе. 2.6.2 Управление воздушным потоком
В большинстве устройств управления воздушным потоком используется регулирование скорости с преобразованием частоты, но отсутствуют элементы измерения воздушного потока. Во время производства поток воздуха можно регулировать только вручную в зависимости от состояния псевдоожиженного материала, что не позволяет гарантировать стабильный и относительно постоянный поток воздуха. Изменения в составе материала и сопротивлении фильтрующего мешка могут повлиять на стабильность воздушного потока, что, в свою очередь, влияет на скорость сушки. Рекомендация: Установите элементы измерения расхода воздуха во впускной воздуховод для автоматического управления, автоматически регулирующего частоту в зависимости от объема воздушного потока, чтобы поддерживать относительно постоянный воздушный поток во время производства.
2.6.3 Онлайн-обнаружение влажности
Добавьте онлайн-устройство определения влажности. Это позволяет пользователям регулировать параметры в соответствии с фактическими условиями, повышая эффективность сушки.
2.6.4 Повторяемость и прослеживаемость процесса сушки в псевдоожиженном слое
В реальном производстве операторы должны сбрасывать и изменять параметры процесса оборудования для каждого производственного цикла. Это делает невозможным гарантировать, что один и тот же продукт производится с использованием одних и тех же технологических параметров оборудования, что ставит под угрозу отслеживаемость. Согласно GMP, оборудование должно хранить определенное количество параметров производственного процесса, чтобы обеспечить повторяемость и отслеживаемость производства. Каждый пользователь устанавливает это в зависимости от количества разновидностей продукта. Для сушилок с псевдоожиженным слоем обычно требуется возможность хранения 50 производственных процессов, но большая часть оборудования отечественного производства в настоящее время не может этого достичь. Рекомендуется улучшить и расширить систему управления ПЛК и механические приводы, чтобы сделать функции более полными. Например, необходимо обеспечить достаточный объем памяти для хранения нескольких производственных процессов, обеспечивая печать параметров на месте, сохранение данных и подключение данных к ПК.
3. Заключение
Данная статья начинается с принципа работы сушилок с кипящим слоем, обобщает некоторые проблемы производственного процесса, исходя из параметров технологического процесса, и кратко предлагает предложения по совершенствованию этого типа оборудования. Есть надежда, что производители оборудования смогут разработать больше фармацевтического сушильного оборудования, отвечающего технологическим требованиям фармацевтического производства, обладающего улучшенными эксплуатационными параметрами, высокопроизводительного, экологически чистого, энергосберегающего и имеющего передовые экономические и технические показатели.