造粒方法及设备的研究进展

2022-03-04谢曙钊胥会祥区汉东白旭晶胡志新

化工装备技术 2022年1期

谢曙钊* 胥会祥区汉东王宁白旭晶胡志新

(1.长安大学工程机械学院 2.西安近代化学研究所)

0 引言

造粒是指对粉状、块状、溶液等不同状态的物料进行加工，获得特定形状和尺寸的固态颗粒的技术[1-3]。目前，市场对物料的需求越来越高，目前颗粒细微化已经成为造粒领域的研究热点，但在物料加工过程中出现了许多技术问题，为了决解这些困难，多种造粒技术随之出现，造粒装置也得到了快速发展。

造粒技术已广泛应用于医药、化工、化肥等工业生产，由于各行业对颗粒产品的需求不同，所使用的造粒方法也各有不同。各行业对颗粒产品的粒度、形状和强度等各方面的需求不同，科研工作者提出了许多造粒方法，为了选择合适的造粒方案，有必要对常用造粒方法进行深入研究。

1 造粒技术

目前，根据机理不同，造粒方法可以分为团聚造粒法、流化造粒法、挤压造粒法、挤出造粒法、破碎造粒法、熔融造粒法和喷雾造粒法等。根据这些方法，设计了相应的造粒设备，下文将对这些方法和设备进行详细介绍。

1.1 团聚造粒法

团聚造粒法是对物料表层喷射雾化的黏结剂而使物料发生团聚。团聚形成的微核在振动、搅拌等工序的作用下逐渐成长，最终形成所需的球形颗粒。根据结构不同，常用的团聚造粒设备可分为回转滚筒型、回转盘型、振动造粒型和离心造粒型。

（1）回转滚筒型常用设备结构如图1 所示，这种装置具有内分级、内筛分、内返料及内破碎功能。

图1 回转滚筒型造粒机

（2）回转盘型造粒是将粉料加入造粒机中，粉料在离心力、摩擦力和重力的共同作用下进行类抛物线运动。圆盘造粒机是常见的回转型设备，主要由圆盘、主轴、电机、刮刀及机架等组成，其中圆盘具有角度和转速可调功能，其结构如图2 所示。影响圆盘造粒效果的主要因素是圆盘的旋转速度、倾斜角和喷嘴孔直径。

图2 回转盘型造粒机

（3）振动造粒是通过振动作用使粉料做回转运动，从而达到造粒的目的。常用的装置有水平振动盘式造粒机、振动搅拌型造粒机和振动输出型造粒机，如图3 所示。

图3 振动造粒机

（4）离心造粒是向造粒机中加入定量的粉料，粉料在离心力、摩擦力和挡板的共同作用下，逐渐形成球状颗粒。离心造粒法具有自动化程度高、成本低、操作灵活等优点，该方法也是目前较为常用的方法。离心造粒机由离心转盘、离心腔及鼓风机组成，如图4 所示。

图4 离心造粒机

团聚造粒法的设备种类较多，不同的设备生产得到的颗粒性质也不同，如密实度、球形度、粒度、成粒率等都各不相同，总体上颗粒的强度较高，断面为多心圆，但由于颗粒都是在团聚作用下形成的，因此致密度不高，表面也较粗糙。

影响团聚造粒的因素有很多，包括水分、黏结剂、物料尺寸和凝集状态等。水分对颗粒间液桥的形成起决定性作用，造粒前可以用水进行预湿润，从而提高造粒的质量。加入黏结剂则可以提高成粒率和颗粒强度，可根据需求来加入合适的量。物料尺寸是影响颗粒强度的重要因素，物料直径越大，颗粒强度就越小。

1.2 流化造粒法

流化造粒是将热风通过床板吹入床体内，使粉体在高速气流中与空气混合形成气-固混合流体，再向流化的粉体上喷洒雾状黏结剂使其凝聚。流化造粒法的常用装置是流化床，如图5 所示。

图5 流化床

流化床设备可以进行混合、造粒、干燥，甚至是包衣等工序，该设备操作时间短，可以进行连续操作，降低了各工序间的物料转移造成的损失。但通过该方法制得的颗粒较不规则、球形度差、密度小、粒子强度小、粒度分布较广。影响流化造粒的因素有很多，如空气温度、黏合剂浓度、流化气速率等。

1.3 挤压造粒法

挤压造粒是将混合料加入具有特定形状的封闭压模中，在外部压力的作用下，粉体颗粒之间的空隙逐渐减小，直至粉体团聚成型。这种方法的常用设备有辊压机、模压机和压片机，其结构如图6 所示。辊压机常用于加工大量物料，但其制品粒度不够均匀；模压机主要用在对成品质量、厚度、硬度和外观有严格规定的场合；压片机一般用于生产均匀片剂，特别是用于粉末冶金和塑料成型。

图6 挤压造粒设备

挤压造粒是较为常用的造粒方法，该方法制得的产品具有颗粒粒径统一、外形较为美观、密度大、无需干燥处理等优点；其缺点是生产能力弱，容易黏渣，清理困难，对模具的磨损较大，需要施加巨大的机械力，较难制备粒径为3 mm 以下的颗粒。影响挤压造粒的因素有很多，如原粉的粒度分布、造粒黏结剂、操作温度和机器内部结构等。

1.4 挤出造粒法

挤出造粒是将物料粉末与黏结剂在容器内混合并制成软材，随后投入具有特定孔径的孔板或筛网（板），在挤压力的作用下使其通过筛孔，最后再经适当的整形工艺得到均匀颗粒。常用的挤出造粒设备有螺旋挤出造粒机、旋转挤出造粒机和摇摆挤出造粒机，如图7 所示。螺旋挤出机较为常用，软材在螺旋杆旋转的作用下从多孔摸具的另一侧排出，得到圆柱状颗粒。模具的孔径和开孔率对挤出造粒的效果影响较大。

图7 挤出式造粒机

挤出造粒法生产得到的颗粒密度高，颗粒粒度可根据筛网进行调节，并且制得的颗粒机械强度高，内部均匀，耐压性好，但颗粒球形度不好，需进行整形，并且造粒产品含水量较高，需要进行干燥处理。

1.5 破碎造粒法

破碎造粒是将块状材料粉碎成大小合适的物料，通常可分为干法造粒和湿法造粒。

干法破碎造粒是将粉料在高压下压成大的坯块，然后再经高速粉碎机破碎成所需的粒度，其工作原理如图8 所示。这种方法成粒率不高，只有50%左右，且制品颗粒形状各异，具有锐边棱角，流动性不佳。其优点为所得颗粒受压均匀，颗粒完整，密度很高，而且只需使用少量黏结剂。

图8 对辊挤压破碎造粒

湿式破碎造粒则是先将干粉状物料加水形成混合料，通过高速搅拌使其破碎，然后经过干燥、筛分得到所需的粒度，这种方法也被称为搅拌混合造粒。常见的湿式破碎造粒设备为搅拌混合造粒机，如图9所示，在该设备主要由容器、搅拌桨、切割刀等组成。该造粒过程中，混合、捏合和造粒工序在一个容器中完成，与传统的挤出造粒相比，具有节约时间、操作简便等优点。通过该方法制得的颗粒密度大、强度高，但颗粒的粒度均匀性及球形度不好。

图9 搅拌混合造粒机

1.6 熔融造粒法

熔融造粒法是将熔融液体冷却硬化后造粒[21-22]。这种方法具有设备自动化程度高、精度高、占地面积小、冷却性能好等优点，所生产的颗粒粒度易于保持，但由于这种方法能耗大、成本高，因此仅适用于低熔点的粉料。熔融造粒设备大体可分为喷射型、喷动床型、带式冷凝型和转鼓型，如图10 所示。

图10 熔融造粒设备

影响熔融造粒的因素有很多，如温度、添加剂等。温度会影响熔融液的表面张力和黏度，而成粒的关键在于控制熔融液的温度。添加剂的作用是提高熔融液的表面张力，加快熔融液的成粒速率，因此选择合适的添加剂十分关键。

1.7 喷雾造粒法

喷雾造粒法是一种将溶液制备成颗粒的技术。溶液（或浆液、混悬液）在喷嘴或离心转盘的作用下成为微小液滴，液滴在高温热风作用下形成干燥颗粒。喷雾造粒法具有可将液体直接变为固体，干燥速度快和粒度范围分布广等特点，广泛应用于食品、医药及催化剂等行业。喷雾造粒设备中最重要的部件是雾化器，它是喷雾造粒干燥机的“心脏”。目前常用的雾化器有3 种，即气流式雾化器、压力式雾化器和旋转式雾化器，如图11 所示。3 种雾化器的区别为液体雾化的方式不同，气流式雾化器是将压缩空气或蒸汽以高速喷出，气体和液体之间的速度差会产生摩擦力，带动液体雾化喷出。压力式雾化器是通过高压泵使液体在高压状态下喷出而雾化。旋转式雾化器通过高速转盘使液体在离心力的作用下甩出，从而使其雾化。影响喷雾造粒的因素有很多，如喷雾压力、造粒温度、喷嘴、流化气速和黏合剂浓度等。