喷雾干燥

1. 简介
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。 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%

食品   低脂牛奶           174                     102                  50   酵母               95                      55                   60

香水/化妆品   啤酒浓缩液         150                     110                 30-40 橄榄叶提取物       150                      90                   36

医疗/制药 血浆               180                      100                  5 多肽               110                      70                   2

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。   实际案例

产品                入口温度 ℃           出口温度 ℃          喷雾浓度%

食品 乳糖                160                    105                  30 玉米淀粉            130                    70                   40

香水/化妆品   金属皂              165                    122                  60        洗涤剂              200                    110                  40

医疗/制药 果糖氨基酸          180                     80                  37 化合物的混合产物

化工产品   碳酸钙              220                      100                10   柠檬酸钠            160                      90                 20

 
4.3 微胶囊化  
实际案例

产品                     入口温度 ℃      出口温度 ℃      喷雾浓度%

食品 麦芽糊精/明胶大豆油      150               90                30

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

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  
实际案例

产品                     入口温度 ℃      出口温度 ℃      喷雾浓度%

食品 乳糖中的转化糖            100                80                2 （枣浆）1:1

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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